Investigadores de la Universidad Rice han desarrollado un innovador sistema de sensores bioelectrónicos que utiliza bacterias modificadas genéticamente, capaces de detectar y responder a múltiples toxinas ambientales simultáneamente. Este avance, publicado en Nature Communications, ofrece la posibilidad de realizar un monitoreo en tiempo real de sistemas acuáticos, tuberías y sitios industriales, lo que podría tener aplicaciones significativas en la biocomputación.
El estudio, liderado por Xu Zhang, Marimikel Charrier y Caroline Ajo-Franklin, aborda una ineficiencia importante en los sensores bioelectrónicos actuales, que generalmente requieren canales de comunicación dedicados para cada compuesto objetivo. La estrategia de multiplexión del equipo de investigación mejora considerablemente la capacidad de información al aprovechar la sensibilidad y adaptabilidad innatas de las bacterias en una plataforma autoalimentada.
Innovación en detección de contaminantes
Los sensores bioelectrónicos convencionales utilizan bacterias modificadas para generar señales eléctricas; sin embargo, cada analito suele requerir su propia cepa bacteriana especializada. Inspirados en la comunicación por fibra óptica, donde diferentes longitudes de onda transportan flujos de datos distintos, los investigadores propusieron que las señales eléctricas a diferentes potenciales redox podrían multiplexar información desde un único sensor.
Para lograr esto, el equipo desarrolló un método electroquímico que aísla estas firmas redox y las convierte en respuestas binarias que indican la presencia o ausencia de cada toxina. Al combinar biología sintética con análisis electroquímico, los investigadores programaron cepas de E. coli para interactuar específicamente con arsenito o cadmio, generando respuestas eléctricas distintas. Este sistema puede informar simultáneamente sobre dos toxinas utilizando una configuración de electrodos unificada mediante un arreglo de sensores que distingue estas firmas redox.
Los sensores multiplexados detectaron con éxito arsenito y cadmio en niveles establecidos por la Agencia de Protección Ambiental (EPA) en pruebas ambientales. Esta capacidad es crucial, especialmente considerando el potencial de toxicidad sinérgica cuando ambos metales están presentes, un escenario que representa un mayor riesgo que cada contaminante por separado.
Además, al integrar tecnologías inalámbricas, las implicaciones del sistema se extienden más allá del monitoreo de metales pesados. Por ejemplo, el sensor podría permitir una vigilancia remota y en tiempo real de sistemas acuáticos, tuberías y sitios industriales. La estructura bioelectrónica subyacente también sugiere futuras aplicaciones en biocomputación, donde las células modificadas no solo podrían sentir y almacenar datos ambientales, sino también procesar y transmitirlos a través de interfaces electrónicas.
Este estudio establece una base para una integración biodigital avanzada. El trabajo del equipo de investigación marca un primer pero notable paso hacia el desarrollo de redes de biosensores inteligentes y autoalimentadas. A medida que el campo de la bioelectrónica continúa evolucionando, los investigadores prevén que los sensores bacterianos multiplexados y inalámbricos se conviertan en herramientas esenciales que pueden desplegarse a gran escala para el monitoreo ambiental, diagnósticos e incluso tareas biocomputacionales, todo ello impulsado por microorganismos.
