Nanobiotech hace el diagnóstico

Mirando un medidor eléctrico, Yi Cui, un estudiante de posgrado en el laboratorio del químico Charles Lieber de la Universidad de Harvard, espera evidencia de una hazaña notable en diagnósticos simples y ultrasensibles. Su objetivo es el cáncer de próstata. Su nueva herramienta es un microchip que lleva 10 cables de silicio, cada uno de solo 10 nanómetros (mil millonésimas de metro) de ancho. Estos nanocables se han unido con moléculas biológicas con afinidad por el PSA, una proteína demasiado familiar para los hombres de cierta edad como signo revelador del cáncer de próstata. Si el experimento funciona de acuerdo con el plan, cuando las moléculas de PSA se unan a los nanocables, habrá una señal eléctrica detectable.

Cui lava una solución que contiene proteínas del cáncer de próstata sobre el chip. Inmediatamente, el medidor registra cambios sutiles, lo que indica no solo que el dispositivo ha detectado la proteína, sino que detectó quizás tan solo tres o cuatro moléculas, instantáneamente y con una preparación mínima de la muestra, una hazaña nunca antes vista. Las implicaciones para el diagnóstico son enormes. Una prueba de cáncer de próstata exitosa debe distinguir entre niveles de proteína normales y elevados. Los sensores ultrasensibles como los de Lieber podían percibir el más mínimo aumento; lo que es más, podrían hacerlo en pruebas baratas y desechables que los pacientes podrían usar en casa entre las visitas al médico. Si estuviera en riesgo de tener un cáncer en particular, no querría arriesgarme y esperar a que algunas células cancerosas crezcan sin control durante un año porque la prueba anterior no lo logró, dice Lieber.

Esta historia fue parte de nuestro número de mayo de 2002

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Aunque este dispositivo de nanocables es solo un prototipo experimental, está a la vanguardia de un esfuerzo creciente en laboratorios de todo el mundo para unir la nanoelectrónica y la biología en un nuevo campo llamado nanobiotecnología. Esta disciplina híbrida está produciendo una variedad de herramientas, desde matrices de pequeños sensores que pueden detectar moléculas biológicas específicas hasta sistemas microscópicos tallados en silicio que pueden leer hebras individuales de ADN, capaces de proporcionar una nueva ventana a las moléculas biológicas.

Las implicaciones para la medicina y la biotecnología son innumerables. Además de olfatear los más mínimos rastros de enfermedad, o tal vez detectar una sola espora de ántrax, estos dispositivos podrían proporcionar un diagnóstico mucho más rápido y fácil de enfermedades complejas. Por ejemplo, podrían proporcionar advertencias tempranas sobre ataques cardíacos, cuyas tarjetas de presentación son cambios sutiles en la mezcla de docenas de proteínas. Alternativamente, un solo microchip podría proporcionar un diagnóstico completo a partir de una gota de sangre. Y para los investigadores de fármacos, los dispositivos de nanobiotecnología podrían significar nuevas herramientas para descubrir y evaluar fármacos potenciales más rápidamente, mediante la selección de millones de candidatos a fármacos diferentes a la vez. Es probable que algunos de estos objetivos más ambiciosos demoren años en alcanzarse, pero la nanobiotecnología podría conducir a dispositivos reales que comenzarán a reemplazar los engorrosos procedimientos de laboratorio con microchips baratos y precisos en tan solo dos años.

Estos primeros productos, chips preparados para detectar una enfermedad específica o un grupo de trastornos genéticos, ya se están desarrollando en casi una docena de nuevas empresas de nanobiotecnología. (ver Detección del éxito) . Larry Bock, director ejecutivo de Nanosys, startup con sede en Palo Alto, CA [ NIÑOS Robert Metcalfe, miembro de la junta, es cofundador y director de Nanosys. Ed.], Que ha obtenido la licencia de la tecnología de Lieber, predice que su empresa comercializará un sensor comercial dentro de tres años, primero para utilizarlo como ayuda de investigación para detectar rápidamente posibles fármacos, y luego como una prueba casera barata y desechable para el cáncer de próstata y quizás otros cánceres. La gente habla de todas las maravillas de la nanotecnología, pero luego dice que no sucederá hasta dentro de 20 años, dice Chad Mirkin, químico y director del Instituto de Nanotecnología de la Universidad Northwestern. Pero eso es absolutamente incorrecto para cosas como los diagnósticos. Verá productos en el mercado en los próximos dos años.

Poder en números

La biología y la electrónica han existido durante mucho tiempo en universos separados. Pero debido a que las moléculas biológicas, como el ADN y las proteínas, tienen aproximadamente unos pocos nanómetros de tamaño, y debido a que los físicos y químicos ahora están aprendiendo a fabricar dispositivos electrónicos exactamente en esa escala de tamaño, estos universos están colisionando. El resultado es una nueva clase de dispositivos que combinan la capacidad de las moléculas biológicas para unirse selectivamente con otras moléculas con la capacidad de la nanoelectrónica para detectar instantáneamente los ligeros cambios eléctricos causados ​​por dicha unión. Lo realmente interesante de esta tecnología es que permite tomar los componentes inorgánicos que normalmente estarían ubicados dentro de un chip eléctrico y combinarlos con moléculas biológicas, dice Paul Alivisatos, cofundador científico de Nanosys y químico de la Universidad de California, Berkeley. .

De hecho, dispositivos nanoelectrónicos como el construido en el laboratorio de Lieber (ver Alambre sensible ) podría acabar con el elaborado aparato que ahora se necesita para la detección ultrasensible. Si quisiera hacer detección de una sola molécula en un laboratorio hoy, necesitaría un láser del largo de un escritorio y una gran cantidad de ópticas sofisticadas, etiquetas químicas para amplificar la señal lo suficiente como para poder verla, dice Bock.

Reducir estos dispositivos ultrasensibles lo suficiente como para poder colocarlos en chips podría tener numerosas aplicaciones en el diagnóstico. El químico de la Universidad de Stanford, Hongjie Dai, por ejemplo, ha construido un dispositivo que puede detectar glucosa con un solo nanotubo de carbono, una gran molécula de carbono con excelentes propiedades eléctricas. (ver La computadora de nanotubos , NIÑOS Marzo de 2002) . Las moléculas de glucosa reaccionan con moléculas en la superficie del nanotubo, creando señales eléctricas que corresponden a las concentraciones de glucosa, dice. Aunque solo es una prueba de concepto en la actualidad, dicho dispositivo podría convertirse en un sensor de glucosa implantable para diabéticos. En diciembre, Dai lanzó Molecular Nanosystems en Palo Alto, CA, para comercializar dispositivos basados ​​en nanotubos, incluidos biosensores.

Sin embargo, para muchas aplicaciones, lo que realmente se necesita no es un nano detector solitario, sino una densa variedad de ellos. De esa manera, puede buscar rápidamente miles, incluso millones, de moléculas biológicas diferentes en una sola gota de sangre u otro fluido corporal, lo que permite el diagnóstico de enfermedades que tienen firmas moleculares complejas. Una de esas enfermedades es la artritis reumatoide, una enfermedad autoinmune con muchas variantes, cada una de las cuales está marcada por diferencias sutiles en grupos de proteínas. Idealmente, cada variante se combatiría con un tratamiento ligeramente diferente; en la práctica, los enfermos de hoy son tratados generalmente de la misma manera. Pero, dice Dai, una nano matriz podría servir como un dispositivo de diagnóstico altamente preciso y discriminatorio, proporcionando una hoja de ruta para el tratamiento personalizado.

Estas matrices de nano detectores prometen ventajas sobre las tecnologías existentes, como los chips de ADN, y las que están en desarrollo, como los chips de proteínas. Todos estos chips requieren un etiquetado fluorescente de moléculas y microscopios ópticos para detectar el brillo que se desprende cuando se produce la unión. (ver Los chips de ADN se dirigen al cáncer, NIÑOS Julio / agosto de 2001) . Es más, aproximadamente mil moléculas deben unirse a cada elemento sensor para crear el brillo. Con la nanoelectrónica, no se necesitan equipos costosos y voluminosos, y es posible la detección instantánea de unas pocas moléculas.

Alambre sensible

Para detectar una proteína relacionada con una enfermedad en una muestra de sangre, se recubre un alambre de silicio de solo 10 nanómetros de ancho con biomoléculas que se unen solo a esa proteína (abajo). Cuando la proteína de la enfermedad se une a una molécula en el cable (recuadro), la conductancia del cable cambia, proporcionando una señal eléctrica instantánea.

ADN pegajoso

Pero los sensores con características a nanoescala solo pueden tener éxito si son lo suficientemente pegajosos como para agarrar moléculas de interés. Mirkin de Northwestern ve valor en el oro: específicamente, partículas de oro a nanoescala, a las que fija múltiples fragmentos de ADN que pueden adherirse a los objetivos de ADN. Cada partícula de oro se vuelve como un velcro, dice. En los próximos 18 meses, dice Mirkin, él y sus colegas construirán un dispositivo de diagnóstico simple para el consultorio del médico capaz de diagnosticar instantáneamente enfermedades o predisposiciones a enfermedades, según los fragmentos de ADN que se utilicen en el dispositivo. Los chips se construirán para paneles de enfermedades, dice Mirkin, incluidas las enfermedades de transmisión sexual, la fibrosis quística y las predisposiciones genéticas al cáncer de colon y la hipercoagulación de la sangre (sangre que se coagula en exceso).

El chip prototipo de Mirkin, en desarrollo por Nanosphere, con sede en Northbrook, IL, una empresa que él cofundó, utiliza ADN depositado entre electrodos en un microchip para reconocer objetivos de interés. Se mezcla una muestra con esas partículas de oro de Velcro y se lava sobre el chip. Si la muestra contiene el ADN objetivo, digamos, material genético de la bacteria de la sífilis, el ADN se unirá a esas partículas de oro pegajosas y luego a los fragmentos de ADN entre los electrodos. Las partículas de oro cierran el circuito y producen una señal detectable. Cuantos más elementos detectores de electrodos por chip, más enfermedades o predisposiciones genéticas se pueden detectar.

El grupo de Mirkin está adaptando un proceso conocido como nanolitografía por inmersión para obtener la capacidad de imprimir literalmente moléculas de ADN entre electrodos con una separación de solo 200 nanómetros. Mirkin espera empaquetar cientos, incluso miles, de elementos de detección de electrodos en un chip.

Moléculas de impresión En la nanolitografía por inmersión, las moléculas se imprimen directamente en la superficie de un chip.

Las matrices de voladizos (arriba) depositan millones, incluso miles de millones, de diferentes moléculas en una superficie; en los casos en que las moléculas impresas se unen a genes o proteínas específicos, el chip se puede utilizar para diagnosticar enfermedades o descubrir fármacos. Cada voladizo, o bolígrafo, tiene una punta de silicona (izquierda) de solo unos pocos átomos de ancho en su extremo. A medida que la punta se mueve lateralmente, las moléculas adheridas a sus lados son atraídas hacia la superficie por un menisco de agua que se forma debajo de la punta. El movimiento vertical de cada voladizo se controla térmicamente, lo que permite que los bolígrafos individuales comiencen y detengan la impresión.

La tecnología de Mirkin puede encontrar ADN específicamente dirigido en una muestra. Pero si realmente pudiera tomar una sola pieza de ADN y leer directamente sus genes, podría, en teoría, identificar cualquier gen, o incluso patrones de genes complejos. Utilizando herramientas adaptadas de la fabricación de semiconductores, el físico Harold Craighead del Centro de Nanobiotecnología de Cornell y su ex postdoctorado Stephen Turner construyeron un chip de silicio que contiene canales diminutos, cada uno de 50 nanómetros de ancho y profundidad. (ver Canalización de ADN , debajo) . El canal es tan pequeño que una sola hebra de ADN apenas puede pasar, y ese es el punto. Un campo eléctrico hace que la bola de ADN normalmente enrollada choque contra el canal, se desenrolle y descienda.

Una vez tomado, el ADN debe leerse para ver, por ejemplo, si contiene una secuencia específica. Para que una secuencia sea legible, los investigadores añaden sondas de ADN marcadas con fluorescencia a la muestra de antemano; las sondas se unen a las secuencias diana. A medida que cada molécula de ADN desciende por el canal, un detector óptico identifica las etiquetas fluorescentes que pasan. Estamos tratando el ADN como si fuera un medio de grabación, dice Turner, quien ahora es presidente de Nanofluidics, una startup que intenta comercializar la tecnología Cornell. Y al igual que un reproductor de casetes, estamos reproduciendo el ADN. Si bien los investigadores de Cornell utilizan actualmente un microscopio óptico externo para leer la cinta, esperan construir un lector óptico directamente en el chip utilizando fibras ópticas. Turner espera tener un dispositivo que funcione en los próximos años.

Debido a que las herramientas para hacer estos pequeños canales se basan en el mismo equipo estándar que se utiliza para fabricar chips de silicio para microelectrónica, Turner prevé fabricar chips nanofluídicos con miles e incluso millones de canales y fibras ópticas. Con tales dispositivos, dice Turner, los médicos podrían algún día tomar una gota de sangre de un paciente, colocarla en el microchip y escanear rápidamente el ADN de la muestra en busca de marcadores genéticos de enfermedad. El dispositivo también podría ayudar a los médicos a elegir los medicamentos adecuados para el paciente.

Canalización de ADN

Para identificar una secuencia particular en una hebra de ADN, los investigadores primero mezclan el ADN con sondas fluorescentes que se adhieren a esa secuencia. Luego, en un microchip (arriba), un campo eléctrico atrae ADN a través de un canal de 50 nanómetros de ancho. Un lector óptico integrado detecta las sondas conectadas e identifica la secuencia.

DNA Control

En el matrimonio de la nanoelectrónica y la biología, la visión más extrema implica colocar dispositivos electrónicos directamente en las moléculas. Para mostrar cómo podría funcionar esto y por qué podría ser útil, un equipo del Laboratorio de Medios del MIT, dirigido por el físico Joseph Jacobson y el ingeniero biomédico Shuguang Zhang, colocó partículas de oro, cada una de solo 1,4 nanómetros de diámetro, en un fragmento de ADN. Cada partícula de oro sirvió como una pequeña antena. Luego, los investigadores expusieron el ADN a campos magnéticos de radiofrecuencia, lo que provocó que las partículas se calentaran y que el ADN de doble hebra se rompiera en dos hebras. Cuando eliminaron el campo magnético, las hebras se volvieron a unir de inmediato. Ahora tenemos una herramienta muy poderosa y útil que puede controlar cosas a nivel molecular, dice Zhang. Hasta ahora, no hay herramientas que puedan hacer esto. Poder controlar una molécula individual en una multitud de moléculas es muy valioso.

Ese valor, añade la postdoctoral Kimberly Hamad-Schifferli, surge en gran medida de la capacidad potencial de activar y desactivar genes. Para hacer eso, los investigadores del MIT podrían unir fragmentos de ADN a partículas de oro. Cuando se agregan a una muestra de ADN, los fragmentos se unen a secuencias de genes complementarios, bloqueando la actividad de esos genes y desactivándolos de manera efectiva. La aplicación de un campo magnético calentaría las partículas de oro, lo que provocaría que los fragmentos de ADN adheridos se desprendan y, de hecho, los genes se vuelvan a activar. Dicha herramienta podría brindar a los investigadores farmacéuticos una forma de simular los efectos de medicamentos potenciales, que también activan y desactivan los genes. Recientemente, el MIT otorgó la licencia de la tecnología a una empresa de biotecnología, engeneOS, con sede en Waltham, Massachusetts.

Aunque el control remoto del ADN puede parecer más un truco de salón que algo que pueda usar su médico, tales experimentos están demostrando que la nanoelectrónica puede interactuar con la biología de manera poderosa. Materiales como nanocables y nanotubos, investigados exhaustivamente por físicos y químicos en los últimos años, están ahora en manos de ingenieros biomédicos como Zhang del MIT, con enormes implicaciones para todo, desde el descubrimiento de fármacos hasta el diagnóstico de enfermedades como el cáncer de próstata. Si bien es difícil predecir los ganadores entre estas muchas tecnologías, Alivisatos de Berkeley, por ejemplo, dice, creo que todas estas cosas van a encontrar nichos competitivos.

La microelectrónica rápida y barata revolucionó el mundo de la informática y la tecnología de la información. No se sabe si la nanoelectrónica puede revolucionar la medicina. Pero la brecha entre la electrónica y la biología se está cerrando rápidamente, y los investigadores biomédicos e incluso los médicos pronto tendrán herramientas para sondear las moléculas básicas de la vida en formas que parecían una fantasía hace solo unos años.

Sintiendo el éxito
Algunas empresas de nanobiotecnología

Compañía	Fuente de tecnología	Estrategia
Tecnologías Agilent (Palo Alto, CA)	Universidad Harvard	Materiales con poros de tamaño nanométrico para analizar ADN
engeneOS (Waltham, MA)	CON	Nanopartículas de oro para el control remoto de moléculas biológicas
Nanosistemas moleculares (Palo Alto, CA)	Universidad Stanford	Nanotubos de carbono para detectar moléculas biológicas
Nanofluidos (Ithaca, Nueva York)	Universidad de Cornell	Chips con canales a nanoescala para analizar ADN
NanoInk (Chicago, IL)	Northwestern University	Nanolitografía dip-pen para diseñar moléculas y estructuras biológicas
Nanoesfera (Northbrook, IL)	Northwestern University	Detectores de electrodo / nanopartículas de oro para detectar ADN y patógenos
Nanosys (Palo Alto, CA)	Universidad Harvard	Nanocables para detectar moléculas biológicas
SurroMed (Mountain View, CA)	Universidad del Estado de Pensilvania	Nanobarcodes para etiquetar moléculas biológicas
Genómica de EE. UU. (Woburn, MA)	Genómica de EE. UU.	Rejilla nanocristalina para analizar ADN

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