El bio-ingeniero Fiorenzo Omenetto, quien crea los dispositivos, a la larga espera construir sensores que se puedan implantar, que sean biodegradables y que podrían servir para monitorizar el progreso de los pacientes después de una cirugía o para rastrear enfermedades crónicas como la diabetes.
Omenetto dice que se dio cuenta de que la seda no sólo servía para hacer camisas y corbatas cuando habló con David Kaplan, el director del departamento de ingeniería biomédica de Tufts, con quien comparte un pasillo. Kaplan transforma la seda en andamios compatibles con las células para modificar tejidos biológicos, incluso implantes de cornea. La seda, la fibra natural más fuerte que se conoce, es la favorita de los ingenieros de tejidos porque es mecánicamente fuerte pero se degrada en el cuerpo de forma inocua.
Preparado para ser físico, Omenetto ha llegado a la conclusión de que si la seda servía para hacer corneas artificiales, también serviría para hacer dispositivos ópticos buenos. Comenta que como resultado, los dispositivos que creó con seda funcionan tan bien como los hechos con materiales ópticos tradicionales como el vidrio y el plástico, y en algunos casos, hasta mejor. A diferencia de esos materiales, la seda no necesita procesamientos a altas temperaturas ni con elementos químicos duros.
Esa es una de las razones por las cuales la seda es tan apta para fabricar biosensores: como los dispositivos de seda pueden fabricarse en un entorno no abrasivo, es posible incorporarles moléculas biológicas adicionales tales como proteínas a medida que se fabrican. Estas moléculas sirven como sensores que, una vez integrados a los dispositivos de seda, pueden permanecer activos durante años. En los dispositivos que están desarrollando Omenetto y Kaplan, las proteínas alojadas en el material óptico pueden unirse eficientemente a blancos como el oxígeno o una proteína bacteriana, y al hacerlo, la luz que transmite el sensor cambia de color.
Receta Óptica
La receta de Omenetto comienza con los capullos hilados por el gusano de seda Bómbix mori. Él dice que, “primero cortas el capullo y sacas al gusano, que es un gran disgusto para los vegetarianos”. Luego, la técnico de investigación, Carmen Preda, hierve los capullos en una solución que contiene carbonato de sodio, una sal. Esto ayuda a disolver la sericina, una glicoproteína pegajosa que es la que mantiene al capullo unido pero que causa reacciones inmunes en los humanos. Después que se secan las fibras de seda, se disuelven los capullos en una solución de bromuro de litio. Cuando se enfría, Preda utiliza una jeringa para cargarlo en un cartucho de diálisis. Lo pone dentro de un vaso de precipitados con agua para que se extraiga la sal.
Lo que queda en el cartucho es una solución viscosa y clara de proteína de fribroína de seda purificada. Preda saca este “almíbar” del cartucho con una jeringa y lo carga en una fila de tubos de ensayo; esta es la materia prima de los componentes ópticos de Omenetto. En esta etapa, si quiere utilizar los componentes en un biosensor, puede agregar una proteína que tenga como meta una molécula en particular, digamos hemoglobina que se une al oxígeno.“Tienes esta solución bonita a base de agua a la cual le puedes agregar cualquier cosa”, dice Omenetto.
La hemoglobina es una proteína relativamente estable, pero los materiales de seda también pueden preservar la actividad de proteínas menos elásticas tales como las enzimas. Como un caso de prueba, los investigadores de Tufts hicieron estructuras de seda que contienen una enzima volátil llamada peroxidasa del rábano; los sensores de glucosa pueden incorporar hexoquinasa, una enzima que se une al azúcar.
Los moldes que se utilizan para transformar la solución de proteínas de seda en dispositivos se diseñan con características a nano-escala. Un detalle tan preciso es importante en la óptica, dado que la luz interactúa mejor con características que no estén a mayor escala que su propia longitud de onda; esto es, alrededor de 400 a 700 nanómetros en el caso de la luz visible. En la luz ambiental del laboratorio, las partes de los moldes de plástico con nano-diseños resplandecen suavemente, como el interior de una concha marina.
Uno de los dispositivos que crearon los investigadores fue un holograma, demostrando que la seda tiene la misma versatilidad que los demás materiales ópticos. En su lugar de trabajo en el laboratorio, Jason Amsden del post-doctorado, utiliza una pipeta para depositar la solución de seda en un molde que tiene el diseño del logo de Tufts. Deja el molde sobre el mostrador a temperatura ambiente durante alrededor de ocho horas, lo suficiente para que las proteínas se solidifiquen, creando un óvalo irregular y flexible que porta el logo en un diseño tridimensional de rosas y azules iridiscentes.
En otros moldes dispersos por el laboratorio, ya se han terminado de secar otros dispositivos ópticos diferentes. Amsden elije uno y lo desmolda suavemente usando unas pinzas. El dispositivo es una tarjeta roja translúcida impregnada con hemoglobina y diseñada con varios elementos ópticos, incluso un defractor que descompone la luz blanca en los colores que la componen.
Sensores de Seda
La tarjeta actúa como un sensor simple de oxígeno: la luz que la atraviesa cambia ligeramente de longitud de onda, dependiendo de cuánto oxígeno se haya unido a la hemoglobina alojada. Estos cambios no se pueden percibir a simple vista pero pueden detectarse mediante un fotodiodo, un chip que transforma a la luz en corriente eléctrica. Por ejemplo, cuando se coloca una gota de sangre rica en oxígeno sobre el sensor, la hemoglobina se une al oxígeno y se modifica la longitud de onda de la luz registrada por el fotodiodo.
El oxígeno es sólo una de las metas posibles para los dispositivos de Omenetto. Rejillas con anticuerpos y enzimas insertadas en ellas, podrían detectar casi cualquier molécula médica que tengan como objetivo; sea glucosa o un identificador de tumores. Los investigadores de Tufts prevén no sólo sensores de laboratorio sino sensores que se puedan implantar. Una aplicación que desarrolló Omenetto será particularmente importante: fibras ópticas de seda para transportar luz de la superficie de la piel a los sensores implantados y de regreso, para que pueda ser leída por un foto detector. Los sensores podrían implantarse durante cirugías tales como resecciones de tumores y utilizarse luego para monitorizar a los pacientes para buscar signos de infección o cáncer recurrente. Omenetto y Kaplan también esperan poder integrar los sensores a estructuras futuras de manipulación de tejidos para ayudar a los médicos a rastrear hasta qué punto el cuerpo está incorporando un tejido nuevo. Los dispositivos se disolverían sin daño junto con las estructuras de apoyo del resto del tejido.
Omenetto dice que los sensores del futuro tendrán diseños que produzcan cambios de color más espectaculares cuando los sensores se unan a sus metas. Para crear sensores que puedan leerse a simple vista, él se inspiró en otro insecto, la mariposa morfo. Su color azul brillante no se debe a pigmentos sino al modo en que la luz interactúa con los pilares de proteínas a nano-escala en sus alas. Cambiar las estructuras de los pilares elimina el color. Omenetto se imagina un sensor a base de seda diseñado con estructuras a nano-escala que hagan que se vea azul; una molécula objetivo que se una a proteínas en el sensor que cambie las nano-estructuras, haciendo que el color cambie o desaparezca. Omenetto dice que la tecnología básica para hacerlo ya está en su lugar; es simplemente cuestión de diseñar los moldes apropiados.