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¿Qué es un biosensor?
¿Alguna vez has escuchado el término biosensor? Es probable que no, pero es casi seguro que has visto uno en alguna farmacia o tienda de conveniencia, pues nos referimos a los medidores de glucosa en sangre que se han hecho más comunes y accesibles. Estos equipos de medición son biosensores específicos para medir los niveles de glucosa en sangre y son de gran utilidad para los enfermos diabéticos, quienes al saber sus valores de glucosa, pueden mantener un control adecuado de la enfermedad. Existen diferentes tipos de biosensores, así que a continuación te explicamos cuáles son y cómo funcionan.
Un biosensor es un instrumento que sirve para detectar y/o medir una sustancia o un parámetro, y que tiene como característica especial que incorpora un agente biológico para actuar como agente de reconocimiento del analito, es decir, la sustancia que nos interesa detectar y/o medir, como en el caso de la glucosa. Todos los sensores y biosensores están formados por dos partes: un detector que va a ser el componente que interactúa con el analito o la variable a medir y un transductor que transforma la señal del detector a una señal analítica útil y fácil de entender, normalmente una señal eléctrica.
Hay biosensores que miden gases, vitaminas, proteínas y compuestos, entre otros, así como otros que detectan, por ejemplo, toxinas presentes en nuestro organismo y en los alimentos.
Elementos que conforman un Biosensor.
Clasificación de los biosensores
Los biosensores se clasifican según el tipo de transductor (piezoeléctrico, electroquímico, termoeléctrico u óptico), el método de detección (directa o indirecta), el agente de reconocimiento (célula, enzima, orgánulo) y el tipo de interacción (biocatalíticos o de bioafinidad). A continuación te explicamos cada uno.
Transductor. Se refiere al sistema de transducción utilizado, sin el cual no es posible obtener, amplificar, registrar, sistematizar, almacenar e interpretar las señales producto de la interacción entre el elemento de reconocimiento y el analito. Los transductores se clasifican en:
- Ópticos. Se basan en las variaciones que se producen en las propiedades de la radiación electromagnética (REM) como consecuencia de la interacción física o química entre el analito y el elemento biológico. Las bases físicas de este tipo de sensores son los cambios que ocurren en la absorción de REM, luminiscencia, dispersión de REM o índice de refracción, cuando la radiación incide sobre las superficies de reconocimiento. El sistema se compone de una fuente de radiación electromagnética, del agente biológico que contiene las moléculas receptoras y del detector.
- Piezoeléctricos. También conocidos como sistemas de transducción másicos, gravimétricos o acústicos; constituyen un material piezoeléctrico (cristales), caracterizados por entrar en resonancia ante la explosión de un campo electromagnético y soportar el elemento de reconocimiento (proteínas). Son versátiles y su uso en el sector alimenticio ha permitido hacer seguimiento de las propiedades reológicas, por ejemplo, de la textura mediante la detección de vibraciones por fractura de las muestras de interés. Su funcionamiento se basa en que la frecuencia de vibración de un cristal es disminuida por la adsorción de un material extraño en su superficie. El cristal está sensibilizado mediante una cubierta de material de unión o reaccionando con el analito.
Termométricos. Su funcionamiento se basa en la detección del calor producido por las reacciones enzimáticas exotérmicas, que se puede relacionar con la concentración del analito. Estos cambios de temperatura se determinan mediante termistores a la entrada y salida del dispositivo en el que se encuentran inmovilizadas las enzimas.
Nanomecánicos. El elemento biológico de reconocimiento se localiza inmovilizado en la superficie de una micropalanca de silicio que se sumerge en una muestra líquida. Normalmente, se utilizan anticuerpos como elemento de reconocimiento. La interacción entre el analito y el elemento de reconocimiento produce un cambio en la tensión superficial del líquido, mientras que la micropalanca sufre una respuesta de tipo nanomecánico que consiste en un cambio de la deflexión y/o de la frecuencia de resonancia, la magnitud de este cambio está relacionada con la concentración del analito.
Electroquímico. Los transductores de este tipo, transforman la señal que se produce por la interacción del analito con el sistema de reconocimiento en una señal eléctrica. Se dividen en cuatro tipos: conductimétricos, potenciométricos, amperométricos e impedimétricos, los cuales detectan cambios en la conductividad, potencial, intensidad de corriente o en la impedancia, respectivamente.
También se clasifican con base en la interacción biosensor-analito
Respecto al tipo de agente de reconocimiento que un biosensor interacciona con el analito, los biosensores se clasifican de acuerdo a esta interacción, la cual puede ser con una célula, enzima, orgánulo, anticuerpo, tejido, ácido nucleico, polímero de impresión molecular (PIM), ácido nucleico peptídico (PNA) o aptámero. Los principales son denominados biocatalíticos, de bioafinidad, amperométricos, entre otros más.
Los biocatalíticos son sistemas que operan directamente en el lugar o sitio de medición, formados por tejidos, células, orgánulos, sistemas enzimáticos de origen vegetal o animal, capaces de detectar sustratos mediante el comportamiento estequiométrico de reactivos y productos, o mediante mecanismos de inhibición enzimática que intervengan en el proceso.
Los de bioafinidad, se caracterizan por formar complejos entre el analito de interés y el receptor, sin llevar a transformaciones químicas, pero generando excelentes mecanismos de respuesta, aunque con grandes exigencias analíticas para determinar su magnitud. Dichas interacciones generan respuestas que demandan sistemas de alta sensibilidad y precisión, cuantificándose a través del seguimiento cinético del proceso en presencia de inhibidores competitivos, marcaje isotópico, comportamiento óptico del proceso o variaciones gravimétricas.
Los amperométricos, como el de glucosa, es el más antiguo. En 1962, Lyons y Clark crearon el primero, que consistía en contener inmovilizada la enzima glucosa oxidasa en el interior de una membrana semipermeable de diálisis montada en un electrodo de oxígeno. Estos sensores miden una corriente al aplicar un potencial entre dos electrodos, que es proporcional a las variaciones producidas en el biorreceptor. Normalmente, podemos encontrar sensores con dos o tres electrodos, aunque los más usuales son los biosensores de tres, ya que permiten controlar de forma muy precisa la tensión aplicada entre los electrodos de medida.
Los biosensores ofrecen diversas ventajas, ya que proporcionan resultados precisos, reproducibles, rápidos, de bajo costo y sin necesidad de preparar la muestra o un blanco estándar. En la actualidad, existen miles de biosensores que monitorean diferentes sustancias y variables (glucosa, embarazo, virus como el SARs-CoV-2, entre otros más), pero todos siguen la tendencia de ser cada vez más pequeños, económicos, sensibles y confiables. Como es el caso de los biosensores de glucosa, que ahora son desechables y tan pequeños como una laminilla de laboratorio, debido al desarrollo de nuevos materiales y a la nanotecnología que permite hacer electrodos con serigrafía de grafito o nanotubos de carbón.
Para Saber Más:
López, G.M.A. y Ortíz de Apodaca, F.O. (2002). Inmunosensores: herramientas analíticas con un gran potencial de futuro. Schironia, 1, 51-59.
Rahman, M., Ahammad, A.J., Jin, J.H., Ahn, S.J. y Lee, J.J. (2010). A comprehensive review of glucose biosensors based on nanostructured metal-oxides. Sensors, 10(5), 4855-4886. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3292151/pdf/sensors-10-04855.pdf
Castro-Ortíz, L.P., Luna-Pabello, V.M., Villalobos-Pietrini, R. (2007). Estado del arte y perspectivas del uso de biosensores ambientales en México. Revista Internacional de Contaminación Ambiental, 23(1), 35-45. https://www.redalyc.org/pdf/370/37023104.pdf
David Herrera García. Estudiante del Programa Institucional de Doctorado en Ciencias Biológicas (PIDCB), Opción Biotecnología Alimentaria, Facultad de Químico Farmacobiología, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
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Ma. Guadalupe Garnica Romo. Profesora-Investigadora de la Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
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