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martes, 12 de octubre de 2010

Biochips

Biochips.
Por Rodrigo Yáñez, Ingrid González.
Departamento de Electrónica, Universidad Técnica Federico Santa María,, Valparaíso, Chile.

Resumen.

Los biochips representan una de las herramientas recientes con las que cuentan los investigadores para hacer frente a la resolución de los problemas biológicos basados en nuevos enfoques que se orientan a la obtención masiva de información. El desarrollo de estos enfoques integrados para el análisis ha venido de la mano de la capacidad de gestionar y almacenar grandes cantidades de información, por tanto no es de extrañar que la llegada de estos dispositivos haya coincidido con la madurez de la bioinformática en la cual se sustentan la realización de los experimentos en general y el análisis de los datos que se obtienen de los biochips en particular.


1. INTRODUCCIÓN

El hombre siempre ha ido de la mano con la necesidad de controlar lo que le rodea, por lo cual es primordial el manejo y manipulación de la información.

Es así como toman su importancia los sensores de todo tipo, ya que monitorean el estado de un proceso en todo momento, pudiendo así almacenar y utilizar la información en un ordenador.

Los biosensores, nacen de la necesidad biológica de obtener información tanto del comportamiento como de la estructura de los seres vivos, con el fin último de generar vías de desarrollo aplicadas a las tecnologías de la información, a la resolución de problemas de orden biológico trabajando en la investigación y desarrollo de herramientas útiles para llegar a comprender el flujo de la información biológica que se origina en los genes, estructuras moleculares, la función bioquímica, la conducta biológica y por último la influencia en las enfermedades y la salud, el medio ambiente y los alimentos.

Un ejemplo de biosensores es el biochip, dispositivos de pequeño tamaño (chip) que contienen material biológico (bio) y que se emplean para la obtención de información genética.

2. ANTECEDENTES

El desarrollo de los primeros ensayos de afinidad con muestras inmovilizadas sobre soportes sólidos se remonta a los primeros ensayos inmunológicos que se desarrollaron en los años 60´s y en los que se inmovilizaban sobre una superficie antígenos o anticuerpos para su detección. El siguiente paso en la evolución hacia estos dispositivos se dio en los años 70´s cuando Edwin Southern, comenzó a emplear filtros de nitrocelulosa para que actuasen como soporte sólido para la adhesión de moléculas de ADN. El ADN así inmovilizado no interacciona con las otras moléculas inmovilizadas pero mantiene su capacidad de hibridar con moléculas complementarias en disolución. La detección de estas hibridaciones se realizaba mediante la detección de un marcador radiactivo en un revelado por autorradiografía.

El siguiente paso en el camino hacia la aparición de los biochips consistió en la construcción de matrices de material biológico, inmovilizado por este mecanismo empleando para ello superficies porosas como son las membranas de nitrocelulosa o nylon. El proceso de miniaturización crea la necesidad de utilizar superficies con poros más diminutos, trabajando, posteriormente, con vidrio y silicio.

3. DEFINICIONES

Un biosensor biochip, es un dispositivo al que se le incorpora una sustancia biológica (una enzima, un anticuerpo, una proteína, ADN, etc.) para poder medir de manera selectiva determinadas sustancias en cierto medio. Por ejemplo, plomo o bacterias en el agua, toxinas en los alimentos. El dispositivo traduce el cambio químico producido en presencia del compuesto de origen biológico en una señal eléctrica procesable.

Todo esto en unos pocos minutos.
La utilidad de los biochips radica en la posibilidad de estudiar y obtener información de muchos genes a la vez con un único experimento

4. FUNCIONAMIENTO.

En estos equipos miniaturizados, los biochips, se integran decenas de miles de sondas de material genético con una secuencia conocida. Cuando se ponen en contacto con una
muestra de un paciente o de un experimento, sólo aquellas cadenas complementarias a las del chip se hibridan y originan un patrón de luz característico, que se lee con un escáner y se interpreta con un ordenador. De este modo se pueden conocer las mutaciones que el paciente tiene en sus genes o aquellos genes que se están expresando en una situación determinada.

La enorme cantidad de información que puede resultar de estos ensayos debe ser analizada de nuevo por sistemas bioinformáticos.

Una ventaja de los biosensores es que copian los sistemas biológicos, no miden la sustancia A, sino que miden toda sustancia que pueda producir el efecto X. El concepto es el monitoreo del efecto y no de la sustancia química.

5. COMPOSICIÓN

Estos dispositivos están constituidos formando una matriz con el material biológico que se inmoviliza sobre ellos de forma que se sabe en cada punto de la matriz que es lo que se ha depositado permitiendo el posterior análisis. El número de posiciones en estas matrices puede llegar a alcanzar las decenas de miles.

Figura 1: Matriz de ADN




6. MÉTODOS DE FABRICACIÓN.

Los primeros chips de ADN se fabricaron en los mismos centros donde fabrican los chips para ordenadores y usando la misma tecnología (fotolitografía).

Principalmente, son dos los métodos de fabricación:
• Presíntesis y deposición (oligonucleotidos, ADNc)
• Síntesis directa sobre el chip (oligonucleotidos)

7. APLICACIONES.

Las principales aplicaciones de estos dispositivos se han encontrado hasta el momento en el campo del análisis genético pero como se ha dicho anteriormente se pueden aplicar
para otros usos.

Aplicaiones potenciales:
• Expresión diferencial de tumores (Cáncer-Tumores)
• Detección de mutaciones o polimorfismos (Genotipificación)
• Detección de microorganismos (Diagnóstico)
• Elaboración de fármacos (Farmacogenómica)

7.1 Aplicaciones en salud.
Las aplicaciones en medicina son variadas, se puede mencionar los análisis clínicos, terapéuticos, veterinaria, entre otros.

Una aplicación importante en materia de salud, consiste en descubrir rápidamente enfermedades nuevas o raras en grupos poblacionales. También se puede incorporar ADN en los sensores, y ver cómo elementos extraños (metales, sustancias orgánicas, sintéticas) producidos por la industrialización, y que están en el ambiente, afectan el material genético y causan enfermedades en organismos vivos. Al detectar mutaciones de las cadenas del ADN de un individuo, se podría aplicar medicina preventiva en muchos casos o establecer diagnósticos precoces.

7.2 Aplicaciones en el medio ambiente.

La medición portátil y en campo, es decir, sin necesidad de mandar una muestra al laboratorio, que permite la nueva tecnología, es muy útil para medir muchísimas sustancias contaminantes del ambiente.

El ejemplo más claro que ya se está implementando es la medición de la demanda bioquímica de oxígeno (un parámetro que sirve para registrar el número de bacterias que hay en el agua). Es el ensayo más importante que se le hace a un líquido contaminado. Con la tecnología convencional esta prueba demanda alrededor de cinco días; con la nueva, los resultados se obtienen en 20 minutos. Además, mediante un sistema de alarma, los biosensores pueden alertar inmediatamente si una fábrica está excediendo el límite de emisión de contaminantes ambientales.

7.3 Aplicaciones en control de alimentos.
En el nivel internacional el foco de atención está puesto en detectar alimentos contaminados o modificados, y que pueden afectar la salud. Los biosensores se usan para controlar los procesos informatizados de elaboración de los alimentos.

Al alertar al sistema sobre una anormalidad, ésta puede ser revertida automáticamente. En Alemania ya existen en los supermercados góndolas con productos que incluyen chips que avisan si se ha cortado la cadena de frío.
Actualmente se están fabricando biosensores para reconocer microtoxinas o Salmonella, por ejemplo. Se planea crear sensores para aplicar en los casos de la vaca loca. Particularmente están interesados en el Reino Unido en el trabajo con productos derivados de plantas transgénicas, para identificarlos, y también a las plantas modificadas genéticamente.
Así se llegarían a evaluar sus efectos sobre la salud.

7.4Aplicaciones en computación.
Uno de los grandes adelantos, corresponde a los biochips en base a ADN y silicio. La gran demanda de información hace que día a día se piense en elementos que permitan la mayor cantidad de almacenamiento. Una respuesta a esto, es el ADN, ya que puede almacenar más información que cualquier chip convencional: 1 [gr] de ADN = 1 billón de CD’s .
En una reacción bioquímica que tenga lugar en una superficie diminuta varios trillones de moléculas de ADN pueden operar en concierto creando un sistema de procesamiento en paralelo, que imita la capacidad de las más poderosas supercomputadoras.

8. CONCLUSIONES
El
fundamento de los biochips se encuentra en el desarrollo y miniaturización de las técnicas de afinidad que se conocen y han venido empleando desde hace años como una herramienta común en biología molecular.

Aunque aún se están usando principalmente en entornos de investigación, se prevé que en los próximos años asistiremos a la aprobación para uso clínico de algunos de estos sistemas.
Potencialmente podrían ocasionar una revolución en la medicina, trasladando el laboratorio genético al hospital, e incluso a la consulta de atención primaria, del mismo modo que los chips de los microprocesadores, debido a su miniaturización, provocaron la salida de los ordenadores de los grandes centros de proceso de datos y su instalación en la consulta o el despacho de los profesionales.
Las potenciales aplicaciones de esta nueva tecnología en las áreas de la salud, los alimentos y el medio ambiente pondrán, en los próximos treinta años, a la ciencia del lado de las demandas sociales actuales, muchas de las cuales, paradójicamente, son producto del impacto que los avances tecnológicos y científicos tienen sobre la vida cotidiana de las personas.

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