- Se trata de un dispositivo con actividad biológica que captura determinadas biomoléculas

El doctor Luis Ramiro Caso Vargas, investigador de la Facultad de Ciencias Biológicas de la BUAP, genera biosensores de tipo óptico para detectar bacterias patógenas (Pseudomonas aeruginosa), con aplicación en entornos hospitalarios; así como de Brucella spp. que ocasiona brucelosis por el consumo de alimentos contaminados, principalmente lácteos. Así también, biosensores para identificar aminas biógenas que puede desencadenar intoxicaciones alimentarias.

Pseudomonas aeruginosa es una bacteria presente en nosocomios (mobiliario, instrumentos quirúrgicos, catéteres y hasta en desinfectantes) capaz de causar infecciones severas en huéspedes inmunodeprimidos. Además, su resistencia a los antibióticos y su amplia gama de defensas la convierten en un organismo extremadamente difícil de erradicar. Para identificarla, Caso Vargas diseñó un biosensor con obleas de dióxido de silicio de 1cm2 -usado en la fabricación de microprocesadores de computadoras-, a cuya superficie cambió su estructura molecular por métodos químicos. Así obtuvo un dispositivo con actividad biológica que inmoviliza y exhibe las biomoléculas que funcionan como biorreceptores, en este caso anticuerpos.

Ello es posible porque se utilizan compuestos químicos que se “pegan” firmemente a la superficie del dióxido de silicio mediante un proceso en fase gaseosa. Gracias a esto, se forma una primera capa que modifica las propiedades de la superficie original. Después se agrega una segunda capa hecha de moléculas especiales llamadas crosslinkers, que actúan como puentes entre esa base y las biomoléculas que se quieren inmovilizar. Sobre esta segunda capa se fija una proteína llamada estreptavidina con capacidad de unirse a los anticuerpos preparados con biotina, los cuales reconocen la bacteria que se quiere detectar.

Para verificar el ensamblado de los biosensores se usan técnicas avanzadas como la espectroscopía de infrarrojo por transformadas de Fourier (FT-IR), que proporciona información respecto de los enlaces químicos formados durante el ensamblaje entre las diferentes moléculas utilizadas; además, Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y microscopía de fluorescencia para observar la cantidad de bacterias presentes en el sensor. En esta investigación colabora la doctora Norma Elena Rojas Ruiz, del ICUAP, quien entre otras líneas se dedica al aislamiento de microorganismos a partir de ambientes diversos.

Luis Ramiro Caso Vargas, doctor en Biotecnología por el IPN, comentó que otra vertiente para la detección de Pseudomonas aeruginosa es un biosensor construido con nanopartículas de oro. “Este sistema es mucho más pequeño, incluso que la bacteria. En lugar de silicio, los biosensores están basados en nanoesferas de oro fluorescentes a las que igualmente se les adhiere un anticuerpo para atrapar al microorganismo en cuestión. Como los misiles teledirigidos, van directamente a las bacterias”.

Las nanoesferas no están fijas en una superficie, sino en una solución que permitiría analizar otro tipo de muestras, por ejemplo, el interior de tuberías. La presencia de la bacteria se detecta por medio de la intensidad de la fluorescencia. Este trabajo se desarrolla en colaboración con la doctora Leslie Arcila Lozano, Investigadora por México, comisionada al Centro de Investigación en Biotecnología Aplicada del IPN.

Para la detección de Brucella spp., el académico de la Facultad de Ciencias Biológicas ha desarrollado biosensores basados en soportes de dióxido de silicio con una arquitectura parecida a los utilizados para P. aeruginosa, donde sólo cambian el crosslinker y el anticuerpo. Esta investigación también se encuentra en proceso y participan los doctores Edith Chávez Bravo, del ICUAP, y Efraín Rubio Rosas, de la Dirección de Innovación y Transferencia de Conocimiento (DITCo).


Descubrir toxinas en alimentos

En el caso de la identificación de compuestos dañinos en los alimentos, se puso atención en las llamadas aminas biógenas. Estas sustancias se generan por la acción de bacterias durante la descomposición de los alimentos, un proceso que no es perceptible en las primeras etapas. Para detectarlas, Caso Vargas explicó que en el biosensor, también basado en soportes de dióxido de silicio, en vez de anticuerpos se inmoviliza la enzima Diamina Oxidasa, la cual reconoce específicamente a estas moléculas.

El investigador del Cuerpo Académico “Biotecnología Ambiental” refirió que la detección de las aminas biógenas se realizó en condiciones de laboratorio y después se probó en quesos añejo, azul y gouda, así como en salmón y tilapia. “Al colocar el dispositivo en una extracción acuosa, a partir de los alimentos contaminados, se observó un cambio de color de la muestra, lo cual indica el reconocimiento de las aminas biógenas por el biosensor. Entre más clara la muestra, menos toxinas; entre más oscura, más contaminación”.

Asimismo, Luis Ramiro Caso Vargas, integrante del Sistema Nacional de Investigadoras e Investigadores, desarrolla sensores electroquímicos mediante una técnica conocida como “polímeros con huella molecular”, para la detección de histamina, la amina biógena más potente. En este trabajo colaboran los doctores Walter Torres Hernández, de la Universidad del Valle, en Colombia, y Harold Díaz Segura, quien hizo una estancia de investigación en el laboratorio de Caso Vargas.

- Un trabajo del Investigador Nacional Emérito, Geolar Fetter, de la Facultad de Ciencias Químicas

En el Laboratorio de Materiales Bioactivos de la Facultad de Ciencias Químicas de la BUAP, el doctor Geolar Fetter y su equipo, junto con estudiantes de licenciatura y posgrado, trabajan en el desarrollo de nanomateriales con aplicaciones médicas, ya sea como inhibidores de bacterias y como compuestos con actividad anticancerígena.

Con la experimentación y creación de nanomateriales, como hidrotalcitas o hidróxidos dobles laminares diseñados en este laboratorio, la ciencia abre la puerta a múltiples posibilidades para combinar y producir sustancias que adquieren características únicas y mejoradas, con diversas aplicaciones.

Gracias a su tamaño ─un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro─, los nanomateriales pueden presentar propiedades físicas, químicas y ópticas diferentes a las que tienen en su forma regular. Contrario a lo que se pensaría, poseen una gran área de superficie con relación a su volumen, además de que pueden combinarse o interactuar de manera eficiente con otros elementos.

En el Laboratorio de Materiales Bioactivos una de las líneas de investigación es el desarrollo de nanomateriales, como hidrotalcitas o hidróxidos dobles laminares, los cuales tienen grupos de hidroxilo disponibles y efectivos en Medicina; por ejemplo, en la inhibición de bacterias patógenas como Estafilococo aureus, Escherichia coli y otras que son dañinas para el ser humano, sobre todo las que se encuentran en los hospitales.

Dirigido por el doctor Geolar Fetter, Investigador Nacional Emérito, este proyecto ha dado resultados positivos y es pionero en el estudio y aplicación de estos nanomateriales como fungicidas y bactericidas.

Su trabajo, en cuanto a la síntesis de materiales, ha dado lugar a diversas publicaciones en revistas científicas y a la colaboración con la Universidad de Caxias do Sul, Brasil, en la cual se procede a la caracterización de los nanomateriales como la determinación estructural, del tamaño de las partículas y el tipo de porosidad que él realiza.

Así también, le ha permitido establecer vínculos con instituciones de países como Etiopía, Francia y Argentina, pero con otras líneas de investigación. El doctor Geolar Fetter destacó que los estudiantes de licenciatura en Ciencias Químicas, así como de posgrado siempre participan en los proyectos de investigación, pues su contribución es fundamental para el desarrollo científico en este laboratorio.

Como parte de la innovación en la aplicación de estos nanomateriales, el investigador BUAP propone combinarlos con poliacrilato, el cual se utiliza en la fabricación de ropa interior o protectores para adultos que sufren incontinencia urinaria. Los usuarios de estos pañales o protectores, hechos con un material adsorbente, llegan a presentar lesiones o infecciones bacterianas en la piel por la exposición constante a la humedad que genera la orina.

La propuesta consiste en introducir el nanomaterial bactericida en el poliacrilato para evitar que el usuario se lesione o infecte con patógenos: “Esto generó dos tesis de doctorado; en la primera se estudió el material como agente bactericida contra específicamente la C. ammoniagenes que produce mal olor en la orina; para esto se hizo una composición química especial de este material para probar su eficacia como bactericida, lo que dio buenos resultados”.

La segunda etapa de la investigación, que dio lugar a otra tesis, consistió en desarrollar la adición de este material al poliacrilato y la eficacia de éste, así como sus propiedades.

Otra área de investigación explorada por el doctor Geolar Fetter y su equipo se relaciona con la producción de compósitos, los cuales preparan con hidrotalcitas en forma de nanopartículas, soportadas en otros materiales orgánicos o arcillas, los cuales se emplean como catalizadores para la producción de compuestos con actividad anticancerígena, como los cromenos. Un trabajo que desarrolla de manera conjunta con la Universidad Nacional de Estudios a Distancia, de Madrid, España.

Para comprobar la eficacia de estos compósitos realizaron pruebas in vitro con resultados positivos, además tienen la cualidad de liberar de forma controlada el medicamento. No obstante, el investigador aclaró que hasta el momento su laboratorio se enfoca en mayor medida en la síntesis de los nanomateriales compósitos basados en hidrotalcitas, a partir de reactivos y con un procedimiento químico determinado, pero aún faltan pruebas en animales para conocer si estos nanomateriales pueden generar algún efecto citotóxico.

    De 76 cepas aisladas, 50 toleraron hasta un 50 por ciento el contaminante. Con ello se busca reducir el impacto ambiental de aguas residuales no tratadas

En México, sólo el 20 por ciento de aguas residuales son tratadas. El resto se vierte en cuerpos de agua, acción que pone en riesgo la salud de la población y la integridad de los ecosistemas, por su alta concentración de microorganismos patógenos y metales pesados, entre otros contaminantes.

          Ante esta problemática, la doctora Rocío Pérez y Terrón, académica de la Facultad de Ciencias Biológicas de la BUAP, estudia la factibilidad de usar ciertas bacterias que se alimenten de compuestos químicos tóxicos, como solventes y colorantes, para disminuir la concentración de contaminantes.

          Tras recolectar muestras de efluentes provenientes de corredores de los parques industriales Puebla 2000, La Resurrección y Finsa, se aislaron 76 cepas diferentes, las cuales se sometieron a condiciones de crecimiento y añadieron tres tipos de colorantes y solventes. De esas cepas, se observó que 26 crecieron hasta en 30 por ciento del compuesto; el resto toleró hasta 50 por ciento del contaminante. De esas 50 cepas, se encontraron 12 especies, de las cuales Pseudomonas aeruginosa fue la más abundante, con 30 por ciento.

          Con ello, se comprobó que “estas bacterias pudieron crecer en medios contaminantes y utilizaron los colorantes (rojo congo, cristal violeta y azul de metileno) y solventes (dicloroetanol, benceno y tolueno) como su medio de alimentación”, especificó Pérez y Terrón, doctora en Biotecnología por el Instituto Politécnico Nacional (IPN).

          El siguiente paso de esta investigación será analizar los compuestos de desecho de las bacterias, para comprobar que este no sea más tóxico que el compuesto inicial mismo; así como la concentración degradada de los colorantes y solventes, ya que el objetivo es utilizar este patógeno en procesos de biorremediación de aguas contaminadas.

          En este proyecto también participa el alumno Salomón Fuentes Cruz; los doctores Jesús Muñoz Rojas, Rebeca Martínez Contreras y José Antonio Rivera Tapia, académicos de la BUAP; así como la doctora Martha Bibbins Martínez, del IPN.

En busca del organismo adecuado

Rocío Pérez y Terrón, integrante del Cuerpo Académico 262 “Ecología Molecular Microbiana”, explicó que una vez recolectadas las muestras en recipientes estériles -con una profundidad de 10 centímetros, a los cuales se les midió pH y temperatura-, estas se transportaron al Laboratorio de Biología Molecular y Genética para sembrarlas en medios de enriquecimiento selectivos y diferenciales.

          De igual manera, se realizaron pruebas de identificación bioquímicas para conocer el tipo de bacterias. Estas pruebas se conocen como galerías API 20E y 20NE. Las cepas más tolerantes a los diferentes compuestos tóxicos fueron detectados por amplificación y secuenciación de 16RDNA.

          El Parque Industrial Puebla 2000 fue la zona en la que se encontró un mayor número de cepas, 27, en comparación con los otros dos parques industriales.

           En los medios de cultivo se adicionaron diferentes concentraciones de contaminantes (solventes y colorantes), para evaluar el crecimiento de las bacterias. Al colocar estos compuestos, se redujo la fuente de carbono del medio de cultivo, para que utilizaran el compuesto adicionado. “Las bacterias que más nos interesaron fueron de la especie Pseudomonas aeruginosa”, indicó la investigadora.

           Este tipo de bacteria es capaz de modificar sustancias químicas peligrosas, transformándolas en otras menos tóxicas, por lo que es usado y estudiado en biorremediación. Lamentablemente, Pseudomonas aeruginosa también es conocida por ser un patógeno oportunista en humanos y causante de diversas complicaciones.