05 utilización de biochips

La utilización de biochips se extiende a la detección de péptidos y proteínas.
Su uso podría acelerar y abaratar el diagnóstico de desórdenes como el alzheimer, diversos tipos de cáncer, o
la presencia de bacterias patógenas en muestras.
Aunque ya se utilizan biochips de ADN para automatizar la secuenciación de genes,
muchos científicos se han interesado en extender esta tecnología a las proteínas por ser
estas muy específicas respecto a con qué otras proteínas o compuestos bioquímicos
interactuan.
28/07/2000.Redacción BorNet.
El término "genómica" suele emplearse normalmente para designar a la parte de la genética
dedicada al estudio (secuenciación) de genomas completos. Uno de sus objetivos primordiales es
la identificación de la predisposición a desarrollar determinadas enfermedades mediante la
localización de diferencias de secuencia en genes específicos. Sin embargo, la predisposición
genética a padecer una enfermedad no indica que realmente esta vaya a producirse.
Por ello, la caracterización y detección de la expresión proteica de dichos genes con vistas a
poder distinguir un funcionamiento defectuoso de la maquinaria bioquímica en los individuos, bien
por defecto (al no sintetizar determinadas proteínas necesarias en una ruta metabólica concreta o
hacerlo en cantidades demasiado bajas), bien por exceso (al expresar ciertas enzimas o proteínas
en cantidades demasiado elevadas), constituye una nueva e interesante etapa en la biotecnología
médica, habida cuenta de la importancia que un diagnóstico precoz tiene en el tratamiento de
determinadas enfermedades.
Proteómica.
Estos estudios han dado origen a una disciplina que ha recibido el nombre de proteómica (en
inglés "proteomics"), encargada del análisis y caracterización del proteoma, término acuñado en
1994 por Marc Wilkins de la empresa Proteome Systems Limited (PSL) afincada en Sydney
(Australia) y con el que se designa al "conjunto de las proteínas expresadas por un genoma".
La proteómica ha de enfrentarse al hecho de que la propia vida, sea esta contemplada a nivel
celular o a nivel de individuo, es un proceso dinámico que se ve sujeto a modificaciones
constantes en el medio. Los complejos mecanismos con los que los organismos biológicos
intentan mantener su equilibrio interno frente a estos cambios pueden verse alterados por la
interacción de factores que junto con el "patrón genético" propio de cada individuo determinan cual
es el estado bioquímico del organismo.
Así pues, las rutas metabólicas que se producen en el interior de sus células dependen tanto de la
expresión del material genético como de la actuación de factores que regulan dicha expresión,
restingiéndola o favoreciéndola en determinados casos. El resultado final es la síntesis de
componentes proteicos de naturaleza enzimática o estructural.
Precisamente uno de los aspectos principales de la proteómica, entendida esta como una
genómica funcional, es detectar cuáles de esos componentes proteicos pueden usarse como
bioindicadores de rutas metabólicas incorrectas que, según su grado de severidad, conducen a la
aparición de desórdenes diversos o enfermedades, buscando además medios para su detección y
corrección (estudio de las proteínas como causas o soluciones de enfermedades).
Chips proteicos.
Para la detección de péptidos y proteínas, además de las técnicas de electroforesis de dos
dimensiones en gel (two-dimensional gel electrophoresis, o 2DE) y la cromatografía líquida con
espectrometría de masas (liquid chromatography - mass spectrometry, o LC-MS) , recientemente
han aparecido al menos dos sistemas de biochips adaptados a la identificación de estas
moléculas, cuyo desarrollo promete abaratar y agilizar los procesos de caracterización de estos
biocompuestos.
Ambos sistemas se fundamentan en la especificidad de la unión entre proteínas, algo que suele
compararse con el ejemplo de una llave que hace juego con su cerradura. Para poder utilizar esta
propiedad, se crean matrices de microsuperficies capaces de unirse de forma específica a
diversos tipos de péptidos y proteínas.
Las diversas técnicas para lograr este propósito, así como los procedimientos utilizados en la
detección de las mismas pueden diferir bastante, y por ello dar lugar a biochips también distintos.
En todos los casos la muestra a estudiar es preparada (a veces la preparación puede ser mínima
en fluídos como suero, sangre, orina; pero si se trata de tejidos, estos se machacan y
homogeneizan para crear una "sopa de proteínas"), a continuación se depositan unas pocas gotas
sobre el chip, se deja transcurrir un tiempo variable para que ambos interactuen (durante el que
las proteínas se unirán a las diversas regiones específicas de aquel por procesos de absorción
según su afinidad con las superficies tratadas) y se pasa a la etapa de revelado o detección de
peptídica.
Sistema ProteinChip de Ciphergen Biosystems.
En el primero de ellos, denominado Sistema ProteinChip y desarrollado por la compañía
Ciphergen Biosystems Ltd., de Palo Alto (California), los chips están formados de un sustrato de
aluminio en el que existen matrices con multitud de pequeñas superficies de hasta 1 mm de
diámetro que han recibido un recubrimiento químico (hidrófobo, hidrofílico, iónico, etc) o
bioquímico (con receptores, anticuerpos, etc) para interactuar con determinadas proteínas, unirse
a ellas y retenerlas.
(Gráfico cortesía de Ciphergen Biosystems Ltd).
Después del preparado de la muestra y su depósito en el chip, se introduce este en el lector en
donde mediante excitación láser se separan (son "desabsorvidas" e ionizadas) y detectan los
péptidos de acuerdo a su peso molecular. El producto se basa en la tecnología SELDI-TOF-MS o
Espectometría de Masas en "Tiempo de Vuelo" mediante Desabsorción/Ionización por Láser de
Superficie
Mejorado
(Surface-Enhanced
Laser
Desorption/Ionization
Time-of-Flight
Mass
Spectrometry).
Esta tecnología se ha ensayado con éxito en la detección y caracterización de proteínas
asociadas con formas específicas de cáncer de próstata, ovario y colon, así como en la detección
de microorganismos patógenos resistentes a medicamentos como Mycobacterium tuberculosis y
Haemofilus influenzae, o la detección de desórdenes neurológicos como la esquizofrenia y el
alzheimer (en este último caso mediante la detección de pequeñas cantidades de proteínas beta
amiloideas en el fluídos biológicos y extractos de tejidos, cuyo depósito en las células nerviosas se
sabe implicado en el desarrollo del alzheimer).
Biochip de la Universidad de Purdue.
En este caso, los científicos de la Universidad de Purdue han unido chips más parecidos a los de
ordenador con proteínas biológicas. Los chips base fueron fabricados por primera vez por el
equipo de Rashid Bashir, profesor auxiliar de ingeniería eléctrica y computación, y su diseño
consiste en la definición de cavidades o "pozos" conectados por canales, todos ellos grabados por
fotolitografía en una oblea de silicio recubierta de un óxido y sellada con una cubierta de cristal.
El tamaño de las cavidades va desde las 80µm x 80µm hasta las 530µm x 850µm, y los canales
tienen anchuras comprendidas entre las 20µm y las 100µm, con una profundidad de 10µm. En el
fondo de las cavidades se definen delgados electrodos de platino, que funcionan como sensor
primario de las sustancias a analizar, cuando se recubren con sustancias receptoras (anticuerpos,
enzimas, ligandos, etc).
Para introducir la muestra, los líquidos con las sustancias o partículas a detectar son bombeadas
dentro de los canales mediante microtúbulos conectados al chip.
Tomando, por ejemplo, una proteína que se una específicamente a la pared celular de una
bacteria en particular, podría escogerse a esa proteína para ser "ligada" a un biochip. Si la bacteria
estuviese presente en la muestra suministrada, se uniría a la proteína causando un cambio
detectable en la señal eléctrica que pasaría a través del chip. Este cambio en la señal eléctrica
podría ser registrado por el dispositivo, confirmando la presencia de la bacteria en la muestra.
Gracias a la especificidad en la unión, otra bacteria o molécula diferente de la muestra no se uniría
al chip.
La primera aplicación real para este tipo de biochips será el desarrollo de sensores para detectar
al patógeno Listeria monocytogenes, un patógeno del que aproximadamente uno de cada cinco
casos clínicos son mortales. Podría contener anticuerpos para Listeria monocytogenes obtenidos
de conejos o ratones. Los anticuerpos son proteínas defensivas naturales que los organismos
utilizan para reconocer y neutralizar proteínas dañinas. Ya que sólo Listeria monocytogenes podría
interactuar con sus anticuerpos sobre el chip, una determinación definitiva de la presencia o
ausencia de la bacteria podría hacerse en minutos.
El artículo sobre el biochip titulado, "Detección a micro-escala de especies biológicas en chips micro-fluídos"
("Micro-Scale Detection of Biological Species in Micro-Fluidic Chips"), se presentó en la conferencia
Nanociencia y Nanotecnología: Configurando la Investigación Biomédica, en los Institutos Nacionales de la
salud (National Institutes of Health) en Bethesda, Maryland. el 25 de junio.
Más información:
Ciphergen Biosystems, Inc.:

Sue Carruthers scarruthers@ciphergen.com
Universidad de Purdue:

Steve Tally, tally@aes.purdue.edu

Michael Ladisch, ladisch@ecn.purdue.edu

Rashid Bashir, bashir@ecn.purdue.edu

Arun Bhunia, bhuniaa@foodsci.purdue.edu