Ensayo Final Biosensores
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Biosensores
INTRODUCCIÓN
A través de la evolución, durante millones de años, los organismos vivos han
desarrollado sensores moleculares con una eficacia y sensibilidad crecientes para
detectar la presencia de sustancias químicas o de otros organismos que son de
potencial interés metabólico o que reúnen algún tipo de peligrosidad para la
supervivencia de ese organismo (Barba, 1999).
Durante las dos últimas décadas los centros de investigación, tanto públicos como
privados, más avanzados en el contexto internacional, han dedicado recursos
crecientes para desarrollar sistemas analíticos que simulen la capacidad de los
seres vivos para detectar la presencia de ciertos tipos de sustancias u organismos.
Estos sistemas analíticos son llamados biosensores debido a que contiene una
parte biológica (Riviejo, 2000).
La IUPAC define un biosensor como un dispositivo capaz de proporcionar una
información analítica específica cuantitativa o semicuantitativa, utilizando un
elemento de reconocimiento biológico que está en contacto directo con un
elemento transductor. Mediante la combinación apropiada de la biomolécula
(anticuerpo monoclonal, enzima, microorganismo, o receptor) con el transductor
(optoelectrónica, am-perométrico, piezoeléctrico, transistor de efecto de campo,
etc.), puede desarrollarse un biosensor y aplicarse a un requerimiento analítico
particular. En los biosensores no es necesario manipular las muestras, ni usar una
gran variedad de reactivos, sin embargo es posible hacer cientos o incluso miles
de medidas con un único biosensor, se abarata el costo de los ensayos, se
aumenta la rapidez del proceso y además son pequeños y su manejo es más
sencillo. La tecnología de un biosensor ofrece una poderosa herramienta analítica
combinando una especificidad máxima en su detección, así como una elevada
sensibilidad (Regatos, 2012). Gracias a esto, los biosensores han tenido un auge
enorme en los últimos años, y aumentado sus aplicaciones en diferentes campos
como son: la medicina, Biomedicina, farmacéutica, agricultura, la industria vinícola
y cervecera, medio ambiente, ingeniería genética, textiles, bioremediación de
suelos, etc (Maquiera, 2010).
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Biosensores
DESARROLLO
El poderoso avance de la biotecnología en las últimas décadas ha permitido el
desarrollo de una nueva generación de sensores, denominados biosensores.
Suele ser habitual pensar, erróneamente, que un biosensor es un sensor de
sustancias biológicas. En realidad, un biosensor se define como un dispositivo
analítico compuesto por un elemento de reconocimiento biológico (enzimas, ADN,
anticuerpos, células o un microrganismo) o biomimético (aptámeros, polímeros de
huella molecular, etc.) que en contacto con un transductor (electroquímico, óptico,
magnético o mecánico) es capaz de interpretar la reacción de reconocimiento
biológico entre el receptor biológico y su molécula complementaria, y convertirla
en una señal que pueda ser cuantificada (Regatos, 2012).
Fig. 1: Figura que muestra el esquema básico de funcionamiento de un biosensor (Regatos, 2012).
El término biosensor comenzó a utilizarse a partir de 1977 cuando se desarrolló el
primer dispositivo utilizando microorganismos vivos inmovilizados en la superficie
de un electrodo sensible a amonio (Amarin, 2012). Los biosensores, al igual que
cualquier otro tipo de instrumento, han evolucionado a lo largo de la historia.
Anecdóticamente, podríamos decir que los primeros biosensores fueron los
canarios; ya que estas aves se utilizaban antiguamente en las minas de carbón
para detectar gases tóxicos. Los canarios se mueren antes que las personas en
presencia de monóxido de carbono o metano y como suelen estar cantando la
mayoría del tiempo el hecho de que no lo hicieran, se convertía en una alarma
sonora (Baez, 2009).
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Sin embargo el ejemplo más importante y de mayor éxito hasta el momento, es el
biosensor para medir la glucosa en sangre de pacientes diabéticos. Se trata de un
dispositivo más pequeño que un teléfono móvil, cuyo medio de reconocimiento es
la enzima glucosa oxidasa. Fue ideado en el año 1962 por los médicos
estadounidenses Clark y Lyons, en vista de la incomodidad y sufrimiento que
suponía para los diabéticos someterse a continuos análisis de sangre. Aunque
existen multitud de biosensores distintos, cada uno con sus ventajas e
inconvenientes, muchos de estos ofrecen también la ventaja de la facilidad de
manejo, en realidad lo que se pretende con los biosensores, es crear dispositivos
que estén al alcance de todos, que sean pequeños y practicos como un
esmarphone, porque desafortunadamente la mayoría de los biosensores utilizan
equipos muy grandes y pesados (Lechuga, 2009).
Los biosensores están constituidos por un receptor biológico, que detecta
específicamente una sustancia mediante interacciones biomoleculares, y un
transductor, que interpreta la reacción de reconocimiento biológico que produce el
receptor traduciéndola en una señal cuantificable. Los elementos biológicos
receptores se pueden emplear enzimas, anticuerpos, receptores proteicos,
secuencias de oligonucleótidos, fragmentos subcelulares como mitocondrias,
secciones de tejidos animales y vegetales, células completas, etc. y como
transductor dispositivos ópticos, electroquímicos, y mecano-acústicos.
Actualmente la mayoría de los biosensores se fabrican con materiales
ultrasensibles como el silicio y estables como el oro (Lechuga, 2009).
La inmovilización del material biológico es un proceso mediante el que se confina
el bioreceptor sobre el transductor electroquímico, para dar lugar a formas
insolubles que retienen su actividad, podría decirse que es el proceso más
importante en la fabricación de un biosensor, ya que características tan
importantes como el tiempo de vida o la sensibilidad, dependen en gran medida de
la metodología de inmovilización utilizada, como ventajas del empleo de material
biológico inmovilizado cabe destacar el aumento de la estabilidad del receptor
biológico y una posible reutilización del biosensor, disminuyendo el costo del
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proceso, sin embargo existen inconvenientes del proceso de inmovilización tales
como la alteración de la conformación del material biológico respecto a su estado
nativo o en el caso de las enzimas utilizas al perder su actividad catalítica .Esto
sucede debido a que la parte biológica de un biosensor es muy difícil de modelar,
por lo que actualmente no es posible eliminar este detalle (Lechuga, 2009).
Fig. 2 Esquema que muestra los principales componentes y la forma en la que funciona un biosensor
(Maquiera, 2010).
Los biosensores deben poseer una serie de características como las que se
muestran a continuación:
*Ser altamente fiable y específico para el propósito de la aplicación de que su
reacción sea independiente de factores tales como la agitación, la presión, la
temperatura y el pH (Carrazo, 2003).
*Ser selectivo, sensible, estable (permanecer sin cambios) en condiciones
normales de almacenamiento mostrar a su vez estabilidad luego de un gran
número de pruebas (Regatos, 2012).
*La respuesta debe ser rápida (en lo posible en tiempo real) precisa, exacta
reproducible y lineal en el rango de interés del análisis además de no poseer ruido
eléctrico (Carrazo, 2003).
*Si el biosensor será usado para monitoreo invasivo en situaciones clínicas, la
sonda debe ser pequeña y no provocar trastornos en el organismos, tales como
efectos tóxicos o antigénicos (Carrazo, 2003).
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Los biosensores también poseen una clasificación, esta depende de varios
factores, pero podemos clasificarlos de la siguiente forma.
a) Biosensores catalíticos, cuyos receptores pueden ser enzimas, tejidos o
microorganismos: La reacción de reconocimiento molecular va seguida de una
modificación química del analito, que posibilita la detección.
b) Biosensores de afinidad: Entre los que se encuentran los inmunosensores y los
basados en quimiorreceptores y los que utilizan ácidos nucleicos.
El proceso de reconocimiento molecular se basa en la afinidad característica de un
ligando con su receptor (anticuerpos, receptores proteicos, ADN, ARN). Como la
reacción de reconocimiento no genera productos detectables, es necesario utilizar
técnicas de transducción asociadas al proceso de interacción en sí, tales como
cambios de masa, modificación de propiedades ópticas, eléctricas o magnéticas.
Una segunda clasificación, es la que se basa en el fundamento del transductor.
Atendiendo a este criterio, los biosensores pueden clasificarse en:
a) Electroquímicos que a su vez se dividen en: Potenciométricos, amperométricos
y conductimétricos (Riviejo, 2000).
b) Ópticos, que pueden ser espectroscópicos de absorción, fluorimétricos o
fosforimétricos y otros; Son aquellos que detectan la reacción de reconocimiento a
través de los cambios que esta genera en las propiedades ópticas del transductor,
ya sea a través de la fluorescencia, polarización, dispersión, cambios de índice de
refracción, etc (Regatos, 2012).
Otros son:
C) Térmicos.Se basan en la detección del calor generado en las reacciones
enzimáticas exotérmicas, que se puede relacionar con la concentración de analito.
Estos cambios de temperatura normalmente se determinan por medio de
termistores a la entrada y a la salida del dispositivo en el que se encuentran
inmovilizadas las enzimas (López, 2008)
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Fig. 3: Tabla que muestra los tipos de biosensores según el tipo de receptor o transductor
empleado (Regatos, 2012).
Ahora bien, la aplicación de los biosensores en diferentes disciplinas esta ganando
terreno y su uso aumenta día con día, esto gracias a la alta sensibilidad que
poseen, actualmente existen muchas aplicaciones a continuación se presentan
algunos ejemplos:
Medicina y biomedicina.
Detección de marcadores tumorales y hormonas.
Equipos analíticos para consulta.
Evaluación terapéutica de nuevos fármacos.
Monitoreo de glucosa en pacientes con diabetes.
Sistemas biosensores para autoanálisis realizado por los pacientes. Componentes de órganos artificiales (páncreas artificial, etc).
Detección de patógenos.
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Detección y determinación de organofosforados.
Medición analítica rutina de ácido fólico, biotina, vitamina B12 y ácido pantoténico como alternativa al ensayo microbiológico.
El descubrimiento de medicamentos y evaluación de la actividad biológica de nuevos compuestos.
Detección de metabolitos tóxicos como micotoxinas (Amarin,2012).
Control medioambiental.
Monotorización on-line y off-line de procesos medioambientales: presencia y cuantificación de diferentes analitos en agua (microorganismos, toxinas, etc).
Detección cualitativa y cuantitativa de contaminantes medioambientales (pesticidas, fenoles, etc).
Aplicaciones ambientales, por ejemplo, la detección de pesticidas y río agua contaminantes.
Teledetección de bacterias aerotransportadas por ejemplo, en actividades de contador bioterrorista.
Determinar los niveles de sustancias tóxicas, antes y después de bioremediación(Riviejo, 2000).
Industrias agroalimentarias.
Detección de microorganismos perjudiciales para el alimento.
Detección de toxinas y pesticidas.
Control de calidad de materias primas, productos finales y proceso.
Determinación de residuos de drogas en los alimentos, tales como antibióticos y promotores del crecimiento, especialmente la carne y la miel (González & Iglesias,2009).
Industrias metal-mecánicas.
Aplicaciones de biosensores y sensores químicos en robots químicos de nueva generación.
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Ingeniería genética.
Monitarización " in vivo”.
Análisis genéticos.
Ingeniería de proteínas en biosensores. (Maquiera, 2010).
Por último es importante mencionar los avances tecnológicos de bisensores, un
ejemplo claro de ello es el uso de estos dispositivos en la ropa que permiten los
medir parámetros biológicos para medir la salud (Universal, 2012).
Conclusión
La tecnología de biosensores ofrece una poderosa herramienta capaz de ofrecer
análisis de alta eficiencia, sin tener que interactuar con la muestra, lo que evita la
contaminación del proceso, además de una elevada sensibilidad. Gracias a esto,
los biosensores han tenido un enorme auge en los últimos años, y su investigación
ha aumentado día con día, debido a que los centros de investigación tanto
públicos como privados más avanzados en el contexto internacional, han dedicado
recursos crecientes para desarrollar sistemas analíticos que simulen la capacidad
de los seres vivos para detectar la presencia de ciertos tipos de sustancias u
organismos. Los avances tecnológicos en cuanto al desarrollo de estos aparatos,
han permitido que la calidad y la seguridad en los procesos de producción dentro
de la industria sean rápidos y eficaces.
El uso de los biosensores es sin duda una herramienta muy importante que gana
terreno día con día, actualmente los biosensores tiene aplicaciones en la
medicina, farmacéutica, agricultura, la industria vinícola y cervecera, medio
ambiente, ingeniería genética etc, son tan solo algunos ejemplos, sin duda
creemos que los biosensores serán las herramientas vitales en el desarrollo de los
futuros procesos creados por el hombre.
Bibliografía
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Biosensores
Amarin. (3 de Marzo de 2012). Blogs de Ciencia y Tecnología de Fundación Telefónica. Obtenido de Blogs de Ciencia y Tecnología de Fundación Telefónica: http://blogs.creamoselfuturo.com/bio-tecnologia/2010/07/12/historia-de-los-biosensores/
Baez, M. (2009). Historia de los Biosensores . Redalyc, 23-27.
Barba, S. (1999). Tecnologia de Biosensores. Mexico: Revista numeo 2.
Carrazo, J. M. (2003). biosensores. España: universidad complutence de madrid .
González, V., & Iglesias, E. G. (2009). Aplicaciones de biosensores en la industria agroalimentaria. CEIM, 12-13.
Lechuga, L. (2009). Dispositivos Biosensores: desde el diseño a la aplicación real. Centro Nacional de Microelectrónica (IMM-CNM). Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). España.
López, M. S.-P. (2008). biosensores amperometricos de tirosina para la determinacion de compuestos fenolicos en medios acuosos y no acuosos. españa: universidad complutence de madrid.
Maquiera, Á. (3 de octubre de 2010). ¿ QUÉ SON LOS BIOSENSORES Y PARA QUÉ LOS. Valencia, Universidad Politécnica de Valencia, España.
Regatos, D. ( 2012). BIOSENSORES ÓPTICOS DE ALTA SENSIBILIDAD BASADOS EN TÉCNICAS DE MODULACIÓN PLASMÓNICA. Centro de Investigación en Nanociencia y Nanotecnología (CIN2) Consejo Superior de Investigaciones Científica (CSIC) Bellaterra (Barcelona), 1-8.
Riviejo, J. (2000). Biosensores electroquiumicos una herramienta util para el analisis mediambiental,alimentario y clinico. Madrid España: Real sociedad española de quimica.
Universal. (3 de Mayo de 2012). Crean Biosensores para monitorear la salud. El universal ciencia.
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