Un biosensor de grafeno que detecta el virus de la hepatitis C en minutos

Imagine que le sacan una gota de sangre, la ponen en un pequeño biosensor de grafeno y le dicen si usted está infectado por el virus de la hepatitis C (VHC) en cuestión de minutos y no después de un día, como hay que esperar ahora tras enviar la prueba al laboratorio. Esto podrá ser pronto una realidad gracias a un nuevo biosensor de grafeno presentado esta semana en la revista Biosensors and Bioelectronics por un equipo internacional de investigadores liderado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), con participación de otros centros de Portugal y República Checa.

El desarrollo de biosensores para detectar distintas moléculas diana es uno de los campos más activos de investigación en biotecnología y biomedicina. Desde hace años se ha intentado utilizar el grafeno para este fin por sus propiedades eléctricas, pero su escasa reactividad química dificultaba “pegarle” determinadas moléculas. Ahora, un equipo interdisciplinar liderado por José Ángel Martín-Gago, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM, CSIC), ha ideado una técnica basada en el uso de ultra-alto vacío que permite formar un enlace covalente (más fuerte y estable) entre el grafeno y las moléculas sonda elegidas para detectar a sus dianas. 

“Utilizamos un método físico basado en tecnologías de vacío, y a continuación un protocolo químico, para la funcionalización covalente del grafeno con la molécula sonda (en este caso un aptámero) que nos permite la detección del analito deseado”, comenta Martín-Gago. “Con ello hemos logrado construir aptasensores ultrasensibles capaces de detectar una proteína clave del VHC”, explica Irene Palacio, también del ICMM y primera firmante del trabajo.

El aptámero actúa como un “anzuelo” capaz de atrapar la proteína core del virus

Para hacerse una idea de cómo funciona este sistema sensor hay que comprender primero qué son los aptámeros, las moléculas que utilizan los autores del estudio para “pescar” la proteína del VHC. “Un aptámero es una molécula de ácido nucleico (ADN o ARN) capaz de unirse con gran afinidad y especificidad al analito deseado, obtenida mediante evolución in vitro”, comenta a Vozpópuli Carlos Briones, investigador del Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA), y coautor del trabajo.

Para obtener los aptámeros buscados, los investigadores parten de una población de más de un billón de moléculas de ADN cortas (de solo 76 nucleótidos) y con secuencia aleatoria. “A partir de ella", explica Briones, "mediante ciclos de selección en presencia de la molécula diana (en este caso, la proteína core del VHC) y de amplificación, la población se va enriqueciendo en cadenas de ADN con alta afinidad y especificidad por dicha diana, hasta llegar a la secuencia individual que más eficientemente la reconoce: el mejor anzuelo para pescar este virus".

De esta forma, asegura, repiten en el laboratorio los mecanismos básicos de la evolución. Una vez obtenido el mejor aptámero para la proteína core de este virus, el anzuelo está listo para ser usado en el biosensor.

“Pescar” virus con grafeno

El siguiente paso consiste en atar los “anzuelos” al “cazamariposas” de la red de grafeno, que previamente se ha bombardeado en ultra-alto vacío con iones de argón para producir en ella una serie de “agujeritos”. A ellos se une covalentemente una molécula llamada p-ATP (p-aminotiofenol), que actúa como si fuera un trocito de sedal atado firmemente a la red. Después, el extremo libre del sedal se ata (mediante otro enlace covalente) al aptámero que va a funcionar como anzuelo.

Cuando el pez "muerde" el anzuelo, el grafeno detecta un cambio en su conductividad eléctrica que se puede cuantificar con gran precisión. Además, como afirma Martín-Gago, “las medidas y cálculos teóricos que hemos realizado demuestran que el sistema ‘anzuelo-sedal’ unido a la red actúa como una ‘antena molecular’ que concentra la variación de corriente eléctrica y por tanto amplifica mucho la señal. Esa es una de las claves de la gran sensibilidad de nuestro aptasensor”.

“El sensor ha mostrado una sensibilidad extremadamente alta para la detección en plasma sanguíneo humano de la proteína core del VHC perteneciente a los genotipos 1 al 4, responsables del 95% de las infecciones por este virus”, comenta Palacio. De hecho, la sensibilidad que han obtenido está entre las mayores que se conocen en el ámbito de los biosensores: en el rango de attomolar, que recordando los prefijos del sistema internacional de unidades son 10^-18 moles de la proteína por litro.

Para hacerse una idea, esto quiere decir que el biosensor detecta unas 30 partículas de VHC  por mililitro de plasma, lo que supone una sensibilidad espectacular teniendo en cuenta los billones de moléculas que circulan por el torrente sanguíneo. 

El biosensor detecta unos 30 virus por mililitro de plasma, lo que supone una sensibilidad espectacular

Según sus autores, los resultados del estudio han dado lugar a un biosensor que no solo es muy sensible y estable, sino que tiene ventajas adicionales frente a los sistemas de diagnóstico del VHC empleados en la actualidad: proporciona resultados en pocos minutos, se puede utilizar fuera del laboratorio ya que se trata de un ‘test antigénico’ de manejo muy sencillo, es reutilizable y de bajo coste.

Todo esto resulta importante cuando hablamos del VHC, ya que este virus, como recuerda Briones, “infecta a unos 100 millones de personas en el mundo y cada año se producen aproximadamente unos cuatro millones de nuevas infecciones, siendo la principal causa de la hepatitis C crónica y uno de los principales desencadenantes del cáncer de hígado”.

Un biosensor para muchas enfermedades

Los autores destacan que “usando la misma tecnología, sin más que cambiar de anzuelo o aptámero, podríamos ‘pescar’ distintos tipos de patógenos, como otros virus con genoma de RNA o DNA, bacterias, hongos o parásitos”. Es decir, que podrían obtener un sistema de diagnóstico aplicable a muchas enfermedades infecciosas, incluyendo la COVID-19. De hecho, este equipo de investigación ya está pensando si en el futuro un mismo biosensor podría servir para detectar diferentes patógenos simultáneamente, por ejemplo varios virus de la hepatitis o los principales virus respiratorios.

Este virus es uno de los principales desencadenantes del cáncer de hígado

Dado que el tamaño de la tarjeta electrónica desarrollada es el de un DNI, y el biosensor en sí mismo mide 0,5 x 0,5 cm, los investigadores están planteando dispositivos portátiles de uso muy sencillo, controlables desde un ordenador portátil o incluso un teléfono móvil. Con ello se podrían llevar los análisis a países en vías de desarrollo o a regiones alejadas de hospitales y centros de salud. 

Tres líneas de investigación

Uno de los aspectos más interesantes de este trabajo, a juicio de Briones, “es que enlaza la ciencia muy básica (parte de ella, surgida para investigar sobre el origen de la vida) con ciencia muy aplicada en el campo de la biomedicina. Nuestro enfoque multidisciplinar combina tres líneas de investigación complementarias: evolución molecular, nanotecnología y microelectrónica.”

Como resume Martín-Gago, dos de los grupos implicados son españoles: “en el CAB se han obtenido y caracterizado funcionalmente los aptámeros de alta afinidad frente a la proteína core del VHC, y, en paralelo, en el ICMM se ha desarrollado un protocolo de funcionalización covalente de grafeno, que es muy estable y mantiene las propiedades singulares de este material”. Además, en el Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología (INL), un centro de investigación binacional situado en Braga (Portugal), se han construido las plataformas sensoras basadas en transistores de grafeno, y es allí donde investigadores de los tres institutos han probado los aptasensores.

En paralelo, en el Instituto de Física de la Academia de Ciencias de la República Checa (Praga) se han realizado cálculos teóricos para explicar el importante “efecto antena” que se produce en estos biosensores.

Dada la gran aplicabilidad de esta invención en los campos de la biotecnología y la biomedicina, los autores van a colaborar ahora con otros grupos de investigación básicos y clínicos, y esperan hacerlo también con las empresas que se muestren interesadas en licenciar y explotar la patente internacional que depositaron previamente a la publicación de su artículo.

Referencia: Attomolar detection of hepatitis C virus core protein powered by molecular antenna-like effect in a graphene field-effect aptasensor (Biosensors and Bioelectronics)