iGEM – Grand Prize 2009 – Biosensores, Ambiente y Biología Sintética: Rebasando los Límites.

por M. A. Loera Sánchez
Un biosensor clásico consiste en dos elementos: un sistema biológico -células, ácidos nucleicos, anticuerpos, receptores, membranas o fragmentos de tejidos- que responde a un estímulo y un transductor que transforma esa respuesta -que puede ser óptica, electroquímica, termométrica, piezoeléctrica o magnética- a una señal eléctrica. Esta señal luego puede ser calibrada en una escala determinada, para así obtener información cuantitativa sobre el estímulo inicial. La especificidad de las moléculas biológicas hacen que los biosensores tengan amplia aplicación en áreas biomédicas e industriales; sin embargo, su calibración resulta técnicamente demandante y debido a ello, la incursión de la gran mayoría de los biosensores ha sido lenta.

Entre los biosensores que mayor éxito han tenido, están los de glucosa, basados en la enzima Glucosa Oxidasa. Estos mecanismos son aplicados en el monitoreo diario y control de los niveles de glucosa en pacientes con diabetes, lo que representa un avance importante para su calidad de vida, pues es sabido que la progresión hacia complicaciones de la diabetes está estrechamente relacionado con el control que tenga un paciente sobre sus niveles glicémicos.

Pero también en las áreas ambiental e industrial se tienen progresos considerables. Por ejemplo, la producción de una respuesta luminiscente (proteínas fluorescentes o el sistema luciferasa) ha sido adaptada para efectuarse frente a diferentes estímulos en células vivas. Estas respuestas ópticas son luego transducidas a señales eléctricas calibradas de acuerdo a alguna escala determinada que permite la cuantifiación. Entre los estímulos se encuentran contaminantes como el tolueno, el tricloroetileno, naftaleno, salicilatos, bifenilos policlorados, fenoles y metales pesados. Los tiempos de respuesta muestran una clara depedencia con el límite de detección del biosensor, teniendo que para lograr detectar cantidades más pequeñas de algún contaminante, el biosensor requiere más tiempo para emitir una respuesta. Estos tiempos se encuentran entre 8 minutos (para el naftaleno) hasta 15 h (para un biosensor de mercurio), mientras que los límites de detección que van desde 0.27 ng/L (para el biosensor de mercurio mencionado) hasta 1.5 mg/L (para un biosensor de bifenilos policlorados). 

Es claro que no todos los biosensores poseen tiempos de respuesta y límites de detección adecuados para su aplicación en el monitoreo en la línea de alguna planta industrial (se requieren detectar contaminantes presentes en cantidades muy pequeñas); sin embargo, los biosensores poseen una valiosa ventaja sobre los métodos químicos de detección comunes: la gran ventaja de estos biosensores basados en respuesta luminiscente es su amenidad ambiental, pues en lugar de trabajar con reactivos químicos contaminantes, se utilizan células. Además, el hecho de que los límites de detección sean elevados no hace que los biosensores basados en células luminiscentes pierdan por completo su valor, pues son útiles como sistemas de detección temprana y para la detección de mezclas de contaminantes de una misma clase.

El reto enorme para este tipo de biosensores es entonces reducir todavía más el límite de detección e incrementar su robustez. Y este es un reto que la Biología Sintética está en condiciones para aceptar…

Equipo Cambridge iGEM 2009
En el iGEM, son muy populares los proyectos enfocados a biosensores o que al menos involucran un módulo con capacidad de Quorum Sensing o de respuesta a un estímulo externo. Sin embargo, de entre todos ellos destaca el trabajo realizado por el equipo de Cambridge en el 2009.

En su proyecto, los chicos de Cambridge realizaron dos aportaciones que les hicieron merecedores del Gran Premio BioBrick de ese año: un sistema regulador de la sensibilidad (Sensitivity Tuner) y la adaptación de genes reporteros, cuyo producto puede ser observado a simple vista.

Arriba: diagrama de caja negra del sistema regulador
de la sensibilidad y productor de pigmento. Abajo:
diagrama detallado del mismo sistema.
El sistema regulador de la sensibilidad que desarrollaron está basado en un proyecto anterior también de Cambridge, pero del 2007: un amplificador de señales. Este mecanismo consiste en un receptor de estímulo que responde produciendo un activador, el cual despierta una respuesta transcripcional todavía mayor en un gen reportero. De esta manera es posible que, a partir de una muestra donde exista una concentración muy pequeña de alguna sustancia, este estímulo sea suficiente para desencadenar su amplificación (a través de la transcripción del activador) y generar una señal detectable.

¿Suena familiar todo esto de los amplificadores de la respuesta transcripcional? ¡Pues claro! Esto significa una probable solución para el problema de los límites de detección en los biosensores basados en respuestas luminiscentes. El equipo de Cambridge 2009 se dio a la tarea de caracterizar cuantitativamente la magnitud de esta amplificación para doce construcciones reguladoras de la sensibilidad, permitiendo así tener una serie de datos de gran utilidad para la calibración de biosensores.

¿Y qué tal si en lugar de tener una señal que requiera un equipo especial para ser detectada, utilizamos alguna que sea accesible más directamente? Pues el equipo británico también desarrolló una solución muy práctica: la síntesis de compuestos coloreados. Para esto, se dieron a la tarea de adaptar las rutas biosintéticas de tres tipos de pigmentos: carotenoides (naranja/rojo), melanina (café) y violaceína (morado/verde), de tal manera que su producción estaba regulada por la acción de un estímulo y un regulador de sensibilidad.

Posible aplicación del sistema de
regulador de la sensibilidad
en tirillas coloreadas.
Sin embargo, el equipo de Cambridge fue todavía más lejos: propusieron un sistema de tirillas sumergibles basados en su sistema de pigmentos visibles y reguladores de la sensibilidad. En estas tirillas se encontrarían, ordenadas de acuerdo a su límite de detección de alguna sustancia “X” a sensar, varias cepas de los microorganismos biosensores; de tal manera que cuando la tirilla entrara en contacto con una solución diluida de la sustancia X, las cepas más sensibles comenzaran a producir pigmento, produciendo una mancha en la tirilla, mientras que cuando entrara en contacto con una solución concentrada, las cepas menos sensibles comenzaran también a producir pigmento y pudieran ser detectada. Pero además, es de notar que el sistema de regulación de la sensibilidad también podría adaptarse a un biosensor en solución, y la señal coloreada producida puede ser calibrada de acuerdo a alguna escala apropiada, para así arrojar datos cuantitativos sobre la concentración del analito de interés.

En resumen, el equipo de Cambridge del 2009 realizó una aportación muy novedosa para la adaptación de los biosensores a los requerimientos prácticos industriales. Y todo esto fue posible utilizando herramientas de Biología Sintética.

Seguramente el área de biosensores no volvió a ser la misma luego del iGEM 2009.        



Lista de equipos que han participado con biosensores o mecanismos de Quorum Sensing hasta el 2009:
2007 Brown University Lead sensor/Tristable switch
2007 Colombia          Iron sensor
2007 Freiburg              Protein Ca sensors/Protein light sensors
2007 Glasgow                 Toluene sensing and electric signal emission
2007 Imperial College Biofilm sensor of AHLs/Temperature sensor for meet
2007 Melbourne         Light sensing E. coli with agregation and gas vesicle module
2007 Mississippi State Ubiquitin ligase activity assay
2007 MIT                   Mercury biosensor
2007 Naples                Oleic acid biosensor for determining olive oil purity
2007 NYMU Taipei        Mammalian insulin secretor with glucose sensing module
2007 Prairie View        Metal and organic compound biosensor
2007 Saint Pettesburg Copper biosensor with Schmitt trigger
2007 Southern Utah Cyanide biosensor in Pseudomonas fluorescens
2008 Brown University Electricic signal producer-arsenic biosensor
2008 Harvard               Electrical signal output by Shewanella oneidensis to enviromental input
2008 Illinois              G Protein  receptor coupling to pathogenous-associated-antigen-specific antibody and GFP downstream coupling/tyrosine kinase eceptor   coupling to pathogenous-associated-antigen-specific antibody and GFP downstream coupling/GFP fragmentation and binding to antibodies directed to specific multiantigens, where they would complement and fluoresce, in Yeast.
2008 Imperial College Light sensing B. subtilis biomaterial pattern generator through motility arrest
2008 Johns Hopkins Yeast mate-type biosensor
2008 Missouri Miners Ethanol and methanol sensor with AOX promoter coupled to GFP
2008 Newcastle U.         B. subtilis that detects pathogenic organisms by their quorum sensing mechanisms, and emits fluorescent signal
2008 NTU Singapore   Quorum sensing bacteria which also respond with colicin secretion
2008 Prairie View      Cation biosensor, which emits positive signal when cations are presents, and negative when anions are
2008 Purdue               Biosensor for UV radiation, combining the SOS pathway promoter with a lacZ gene. 
2008 TU Delft              Temperature sensing E. coli through a RNA effector
2008 U. of Alberta        BPA biosensor/plant biobricks/butanol synthesis
2008 U. of Sheffield      E. coli biosensor of V. cholerae through quorum sensing
2008 Utha State      E. coli PHB biosensor that would aid in monitoring the PHB production in culture
2009 Brown              Hystamine biosensor in Staphylococcus epidermidis chassis
2009 Cambridge          Biosensor with input sensitivity tuner module and three different colour output depending on input strength/ biobricks for six pathways for different coloured outputs
2007 Missouri              Biological timer and an ethanol Yeast biosensor
2007 Penn State      Xylose metabolism modification/Radiation biosensor
2007 Valencia              Promoter biosensor callibrator
2008 BCCS Bristol     Structure and material organizationby bacteria, using chemotaxis, enviromental sensing and cell-cell communication
2008 Beijing               Polychlorinated biphenyls- and -dioxins sensing and degrading E. coli
2008 Caltech             Quorum sensing of pathogenic population by a strain of E. coli capable of oxidative burst/b-galactosidase secreting E. coli in the gut for lactose intolerance/folate secreting E. coli/ Multipotent E. coli
2008 Turkey              Metal sensing and carrying E. coli
2008 UNAM-IPN        Horizontal gene transfer sensor/turing pattern generator circuit
2009 Br. Columbia      Module that receives input and transform it on a signal that varies according to input concentration from green to red output
2007 Turkey            Tricolor pulse oscilator/subpopulation differentiation and competing mechanism/metal bacterial intake and taxis
2008 Heidelberg    E. coli biosensor and chemotaxis directed to pathogenic organisms through quorum sensing mechanism, and bacteriocidal production through another quorum sensing mechanism
2008 NYMU Taipei   E. coli intented to attach and sense pH in the small-intestine and respond with removal of urea and guanidine, and also regulate phosphate balance
2008 Tokyo Tech   Low-pressure biosensor
2008     U. of Lethbridge  PCB E. coli biosensor with chemotactic and degradation modules. Also, riboswitch and SELEX

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