Historia de los biosensores

¿Sabes qué son los biosensores?

Un biosensor se define como una herramienta o un sistema analítico compuesto por un material biológico que está inmovilizado, del tipo enzimas, anticuerpos, orgánulos… Este material biológico está en contacto con un sistema transductor adecuado que convierte la señal bioquímica en una señal eléctrica que se puede cuantificar. Las señales eléctricas que se producen pueden ser continuas o discontinuas. Se emplea un transductor porque es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente a la salida. La elección del componente biológico, además, va a depender de la sustancia, que normalmente se denomina analito, que se quiera analizar o cuantificar; el transductor a su vez también dependerá del biocomponente.

Antes se usaban sensores electroquímicos y con la aparición de los biosensores se mejoraron diferentes aspectos en los análisis. Se mejora así la sensibilidad y la precisión. 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 coste de los ensayos, se aumenta la rapidez del proceso y además son pequeños y su manejo es más sencillo.

A pesar de estas ventajas presenta dos desventajas o limitaciones principales: la primera es la inestabilidad de los compuestos biológicos (enzimas, anticuerpos…), éstos pueden perder su actividad en horas o días; esto depende de la naturaleza de la molécula, del pH, la temperatura o la fuerza iónica del compuesto biológico. La segunda limitación se debe a que la señal que puede registrar el biosensor está en un rango muy pequeño, de milímetro a micrómetro. Esto se puede mejorar sustituyendo los dispositivos de transducción físico-químicos por dispositivos de transducción biológicos.

Los biosensores se clasifican en dos tipos:

a)     En función del biocomponente inmovilizado.

-       Catalíticos o enzimáticos

-       Afinidad

-       Inmunobiosensor

-       Proteínas de membrana

-       Microorganismos

b)    En función del transductor.

-       T. electroquímicos

-       T. ópticos

-       T. calorimétricos/térmicos

-       T. acústicos/térmicos

Historia de los biosensores

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.

Pero, al margen de este hecho anecdótico, se puede decir que el padre de estos dispositivos es Leland C. Clark Jr., que en 1956 finalizó sus trabajos con el electrodo de O2, pero no se conformó y con la idea de ampliar su uso al de medir más analitos en el cuerpo humano, en 1962 propuso hacer sensores “más inteligentes”. Lo que él quería decir con esto era que sería una buena idea combinar las enzimas y otros materiales biológicos con los sensores electroquímicos que había hasta esa época. Con esta idea, y con la ayuda de Lyon, construyó el primer biosensor!!! Este consistía en un electro de O2 con la enzima glucosa oxidasa inmovilizada. Este biosensor permitía relacionar directamente la concentración de glucosa con la disminución de la concentración de oxígeno. Posteriormente, Guilbault y Montalvo detallaron el primer electrodo enzimático potenciométrico basado en la inmovilización de la enzima ureasa sobre un electrodo selectivo de amonio.

En 1975 esto se convirtió en una realidad comercial, poniéndose a la venta el primer analizador de glucosa basado en la detección amperométrica de peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) en Ohio. Este fue el primer biosensor a la venta de los muchos que se comercializarían más adelante. También en este mismo año Divis se preguntó: ¿por qué no usamos las bacterias como elemento biológico en los biosensores para medir la cantidad de alcohol en una muestra? Esta pregunta causó un gran revuelo en muchas grandes empresas de medio ambiente de Japón y otros lugares que se pusieron en marcha en su investigación y no tardaron mucho tiempo en desarrollar los electrodos microbianos. Un año antes se comenzó a usar transductores térmicos (termal enzyme probes) y los termistores enzimáticos (enzyme thermistors). Posteriormente se comenzó a usar los biosensores basados en fibra óptica, que originaron la aparición de los denominados “optados”. Éstos se usaron en un primer momento para la determinación de CO2 y O2.

Más o menos 15 años después de la construcción del primer biosensor, Clemens incorporó un biosensor de glucosa en un páncreas artificial que se comercializó como el Biostator. Actualmente este biosensor ya no está en venta. En este mismo año una empresa Suiza construyó un biosensor que utilizaba la lactato deshidrogenasa; éste fue muy útil para mejorar los análisis en clínica y en deportes. En 1982, basándose en la utilización de mediadores electroquímicos para favorecer la transferencia de electrones desde el centro redox de una enzima a la superficie del electrodo se construyeron la nueva generación de biosensores electroquímicos. Basándose en esto se describió la implantación de un biosensor subcutáneo para la determinación de glucosa.

Volviendo a la década de los 70; en ella también se intentaron construir inmunosensores inmovilizando anticuerpos y utilizando transductores piezoeléctricos o potenciométricos, aunque fue en la década de los 80 cuando Liedberg los comercializó con éxito. En 1987 mediante la utilización de mediadores electroquímicos inmovilizados en electrodos enzimáticos serigrafiados se consiguió construir el “bolígrafo” para el seguimiento personal de glucosa en la sangre!!! comercializado por MediSense. Actualmente las compañías Abbott Boehringer Mannheim y Bayer dominan las ventas de éste bolígrafo lo que da lugar a unas ventas del orden de varios cientos de millones de dólares; y está desbancando casi totalmente a los métodos convencionales de medir la glucosa.

Actualmente existen multitud de biosensores en los cuales se combinan la amplia diversidad de componentes biológicos (enzimas, ácidos nucléicos, receptores celulares, anticuerpos y células intactas) con los diferentes tipos de transductores (electroquímicos, ópticos, piezoeléctricos, termométrica). Éstos se pueden utilizar en numerosos problemas de la actualidad como el análisis clínico, de alimentos, bebidas, vigilancia del medio ambiente, defensa, seguridad y muchas más áreas.

Lucia Senra Bao y Emma Soengas Gonda

BIBLIOGRAFÍA

- Amarjeet Bassi, PhD. “Biosensors”. Biosciencieworld.

- Hill, H.A. and Davis, J.J. (1999) Biosensors: past, present and future in Biochemical Society. Transactions. 27:331-335.

- Homme W., Hellinga and Marvin, J. (1988) “Protein engineering and the development of generic biosensors” Trends in Biotechnology, 16: 183-189.

- Peter T. Kissinger. (2004) “Biosensors-a perspective”. Biosensors and Bioelectronics. Vol-20: 2512-2516

Comentarios

Un comentario to “Historia de los biosensores”

  1. “Acá mejoró todo, pero hay mucho límite” « ConCiencia Crítica on 2011-11-14 3.29 am

    [...] de mi carrera. El doctorado fue en el área de electroquímica volcado más a la bioquímica y biosensores y después cuando fui a hacer el postdoctorado empecé a hacer síntesis de materiales. Trabajé [...]