Biosensores, el otro legado de Clark

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Los cinco sentidos (algunos tienen seis) es lo único que nos ha brindado la naturaleza para enterarnos de que ocurre a nuestro alrededor. De momento no han funcionado mal porque aún no nos hemos extinguido. Sin embargo, a nadie se le escapa que ni el más agudo oído, ni la mas afilada vista, ni el mas fino tacto, ni el más entrenado gusto, ni el más vivo olfato perciben muchos matices, a veces de vital importancia, acerca del mundo molecular.

TEXTO POR DANIEL MORENO
ARTÍCULOS
BIOLOGÍA | TECNOLOGÍA
9 de Noviembre de 2014

Por ello, y porque la penuria agudiza el ingenio cosa mala, ya desde el antiguo egipto hay indicios (Papiro de Ebers, 1553 a. de C. probable copia de otro libro del 3000 a. de C) del uso de determinados comportamientos animales como indicadores de anomalías en la composición de la orina de enfermos que hoy llamamos diabéticos. Probablemente la misma treta o similares fueron usadas para determinar la normalidad en la composición de todo tipo de alimentos, líquidos y excrementos durante milenios; en un intento de prevenir desgracias o de anticipar el curso de las enfermedades que nos han asolado desde el principio de los tiempos. Obviamente, la mayoría de estos conatos de análisis fracasaron hasta que en un alarde de chulería máxima fueron inventadas la química y la bioquímica. Ellas hicieron visible lo invisible. El desarrollo de los métodos analíticos clásicos nos llevó a constatar la presencia y cantidad (incluso muy baja, por cierto) de una sustancia concreta dentro de una mezcla. Todo ello mediante una reacción o proceso fisicoquímico reproducible y controlable. La medición de parámetros biológicos y químicos se estandarizó desvelando muchos de los matices de composición molecular que sustentan nuestra existencia.

Sin embargo, los métodos analíticos clásicos, a pesar de lo útiles que fueron y son, tienen, generalmente, algunas desventajas importantes: necesitan mucha muestra, bastante equipo de análisis, personal formado para ello y tardan comparativamente bastante tiempo en realizarse. En esto precisamente es donde Leland C. Clark volvió a revolucionar la ciencia de su tiempo como ya os adelantaba en las últimas líneas de mi artículo en el anterior y gratuito JoF.

Clark mostrando su oxigenador de sangre (1952). Probar su funcionamiento le llevo a inventar el primer biosensor Severinghaus, J. W. (2002)

 Corrían los años cincuenta cuando Clark estaba desarrollando uno del los primeros sistemas para oxigenar la sangre. Cuando intentó publicar su invento en Science (una de las revistas científicas más importantes), el editor lo rechazó y le dijo que necesitaría poder medir la presión parcial de oxígeno en sangre, probablemente para poder asegurar que el oxigenador funcionaba adecuadamente. Las técnicas de las cuales se disponía en la época para cuantificar el oxigeno presente en sangre consumían prácticamente todo el oxigeno de la muestra con lo que eran muy difíciles de calibrar y por tanto, probablemente, poco exactas. Así que, ni corto ni perezoso, el señor Clark inventó el electrodo de Clark. El cuál en su momento fue un enfoque revolucionario, no por ser una idea totalmente nueva, sino por mejorar una ya existente de una manera ingeniosa, elegante y simple. De echo, al invento de Clark también se le denomina electrodo polarográfico de tipo Clark. La polarografía había nacido de la mano de Jaroslav Heyrovský a principios de los años veinte, inaugurando toda una rama de métodos de química analítica, la voltamperometría. En ella se usaban las variaciones de potencial de corriente eléctrica producidas en un electrodo al reaccionar con sustancias químicas para determinar la concentración de esas sustancias en la mezcla en la que estaba inmerso. Pues bien, lo que hizo Leland Clark fueron dos cosas, resumiendo: introducir otro electrodo que actuaria de referencia para poder calibrar al principal, aumentado así la precisión; y recubrir ambos con plástico y cristal hasta la punta, reduciendo así el consumo de oxígeno. Al mismo tiempo, Richard W. Stow había hecho algo parecido para el electrodo de CO2 pero al parecer no funcionó bien.

 
Electrodo de tipo Clark para medir oxígeno: A) Electrodo de platino, que mide el oxígeno. B) electrodo de plata que actúa de referencia. C) cloruro de potasio, electrolito. D) membrana de teflón que aísla de manera permeable los electrodos para no consumir mucho oxígeno. (E) anillo de goma (F) batería (G) galvanómetro para medir las variaciones de potencial dependientes de la concentración de oxígeno. Fuente: Wikipedia commons

 

El diseño de Clark estaba lejos de ser óptimo, pero abrió una nueva era. Había demostrado que el análisis químico mediante electrodos era factible y fiable. La aplicación de este sensor químico (o quimiosensor, si les gusta más) en cirugías cardiacas, para monitorizar el oxígeno presente en la sangre de los pacientes mientras eran operados, fue casi instantánea. Todo el mundo vio el enorme potencial de lo que se empezaba a perfilar como una alternativa fácil, barata y miniaturizable de las técnicas analíticas clásicas.

Pero eso no fue todo, Clark tubo la brillantez de ver que aquel electrodo que podía medir la concentración de oxígeno en la sangre o en otros fluidos o gases, lo haría igualmente con oxígeno desprendido de una reacción enzimática. Las enzimas son proteínas que catalizan (hacen más fácil) una reacción química. En una reacción química determinados reactivos se convierten en productos (el oxígeno puede formar parte de unos u otros). La actividad de una enzima depende de la cantidad de reactivos y productos que existan en el medio en el que se encuentra. De manera que, dada un reacción química donde interviene el oxígeno, el electrodo sería capaz de medir la actividad de la enzima que la cataliza en base a la velocidad de producción o consumo de oxígeno. Así pues, a principios de los sesenta, demostró este concepto acoplando una membrana embebida con la enzima glucosa oxidasa a la punta de su electrodo para medir oxígeno. El resultado: el primer biosensor, que era efectivamente para medir la concentración de glucosa. En presencia de glucosa y oxígeno, la glucosa oxidasa los convierte en ácido glucónico y agua oxigenada. De manera que la desaparición de oxígeno es proporcional a la concentración de glucosa. Una vez calibrado con concentraciones de glucosa conocidas, cualquier señal eléctrica procedente de la reacción del oxígeno con el electrodo al ponerse en contacto con la muestra, podrá ser asignada a una concentración de glucosa concreta.

Pictograma de medidor de glucosa moderno Fuente: ARASAAC
Lentilla desarrollada por Google para medir la glucosa en las lágrimas Fuente: GOOGLE

La idea del biosensor de glucosa se empezó a comercializar en los años setenta. A partir del primer desarrollo de Clark, infinidad de biosensores para medir todo tipo de sustancias se han ido desarrollado. Los biosensores actuales son instrumentos capaces de medir parámetros biológicos o químicos combinando casi siempre componentes de naturaleza biológica (e.g. enzimas) y físico-química (e.g. electrodos). Desde el medidor de tirita hasta la revolucionaria tecnología de la lentilla de Google pasando por las narices electrónicas que detectan compuestos volátiles. Ya casi se puede medir de todo, en cualquier parte a concentraciones que rozan las partes por millón: metabolitos, agentes químicos de toda índole, presencia de microorganismos, material genético, etc. Aprovechando el desarrollo tecnológico del los últimos cuarenta años se han hecho más pequeños, más rápidos, más precisos, más baratos y con tantas funciones que levantan la envidia de la navaja del mismísimo McGiver.

Referencias:

 

Este artículo participa en la XXXIII Edición del Carnaval de Biología organizado por Consultoría y Educación Ambiental

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