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Biosensores de ADN con nanotubos de carbono

Investigadores del CSIC han participado en el desarrollo de un biosensor de ADN que permite detectar secuencias genéticas gracias a la señal eléctrica que se genera cuando se unen dos cadenas de ADN complementarias (hibridación). Un sistema así podría ser aplicado en el futuro para el diagnóstico médico, para la detección de mutaciones genéticas u otras aplicaciones en las que se requiera detectar ADN de forma inmediata.

 Fotografía de nanotubos obtenida por microscopia electrónica de transmisión (TEM) y estructura de un nanotubo.Un grupo de investigadores del CSIC ha participado en el desarrollo de un biosensor de ADN que permite detectar secuencias genéticas gracias a la señal eléctrica que se genera cuando se unen dos cadenas de ADN complementarias (hibridación). El proyecto ha sido liderado por Maria Teresa Martínez, profesora de investigación del Instituto de Carboquímica del CSIC, y ha contado con la participación de la Universidad de Berkeley, del Instituto de Química Avanzada de Cataluña (CSIC) y del centro tecnológico Cidetec-IK4.

Las extraordinarias propiedades de los nanotubos de carbono, explica Maria Teresa Martínez, los convierte en excelentes candidatos para un gran número de aplicaciones en campos tales como sensores, materiales compuestos, biomedicina, electrónica plástica o pantallas planas. Una de esas aplicaciones es este biosensor, que se presentó recientemente en la revista Nanoletters y que, de momento, es un prototipo.

Lo relevante del trabajo es que ha permitido demostrar dos cosas: la detección electrónica de estos eventos biológicos y, en segundo lugar, que los electrones circulan a través del ADN y que su conductividad eléctrica varía en función de los aminoácidos que forman la secuencia genética. "Hace tiempo que nos preguntábamos eso, si los electrones podían pasar a través del ADN y si se podía usar esta conductividad como un método para detectar diferentes cadenas genéticas", explica Ramon Eritja, químico del Instituto de Química Avanzada de Cataluña, que trabaja en los laboratorios del IRB del Parc Científic de Barcelona. "Y ha resultado ser un método muy sensible que podría aplicarse en el futuro para el diagnóstico".

Detección en minutos

Con el biosensor la detección se realiza directamente y en cuestión de minutos. Es un tiempo récord si se compara con los métodos actuales, que requieren un par de días dado que se requiere marcar y amplificar las moléculas de ADN para incrementar la sensibilidad.

El trabajo demuestra que los electrones circulan a través del ADN y que su conductividad eléctrica varía en función de los aminoácidos que forman la secuencia genética

El biosensor está constituido por un chip de 1 centímetro cuadrado en el que se integran 896 transistores de efecto de campo construidos con nanotubos de carbono de capa única. La unión de la secuencia de oligonucleotidos, desarrollada por el equipo de Ramon eritja, en el Instituto de Química Avanzada de Cataluña del CSIC, se realiza a través de un polímero diseñado y desarrollado por Cidetec con el que se funcionaliza previamente el nanotubo "in situ" en el transistor. Ha sido la investigadora del CSIC Maria Teresa Martínez quien, en los laboratorios de la Universidad de Berkeley (EE.UU.), ha sintetizado los nanotubos y ha hecho todo el desarrollo final para obtener el dispositivo.

Cuando los oligonucleótidos, que actúan como sonda, se acoplan con la secuencia de ADN complementaria que se busca, se genera una respuesta eléctrica que puede ser detectada y medida en el dispositivo. Un sistema así podría ser aplicado en el futuro para el diagnóstico médico, para la detección de mutaciones genéticas u otras aplicaciones en las que se requiera detectar ADN de forma inmediata.

Propiedades de los nanotubos

Los nanotubos de carbono tienen una complejidad electrónica única y una serie de propiedades que han sido definidas por muchos de sorprendentes. Dependiendo de su diámetro y helicidad pueden ser semiconductores o metálicos con una conductividad, estos últimos, 6 órdenes de magnitud mayor que la del cobre (algo así como un millón de veces más). Tienen una excelente conductividad térmica, mayor que la del diamante, y tienen una gran estabilidad química y térmica.

Los nanotubos son menos densos que el aluminio, el metal más ligero, y se ha calculado que son entre diez y cien veces más fuertes que el acero

Como emisores de electrones, emiten en un rango muy estrecho de energía, 0,1 eV (electron- voltios), mientras que los mejores emisores de electrones usados actualmente emiten en un rango de entre 0.6 y 0.3 eV. Esta propiedad esta siendo utilizada en el desarrollo de pantallas planas de las cuales algunas empresas ya han lanzado varios prototipos. En octubre del año pasado, durante el "Internacional Meeting on Information Display" (iMiD), que tuvo lugar en Corea, se dio a conocer una nueva pantalla de 14.3 pulgadas de tamaño que utiliza nanotubos de carbono.

Si las propiedades electrónicas y ópticas de los nanotubos son sorprendentes, sus propiedades mecánicas son igualmente asombrosas: muy ligeros pero con una resistencia muy superior a la del acero y una enorme elasticidad. La densidad de los nanotubos es de 1,4 gramos por centímetro cúbico - el aluminio, el metal más ligero, tiene una densidad de 2,7 gramos por centímetro cúbico- y se ha calculado que son entre 10 y 100 veces más fuertes que el acero.

Por otro lado, el aluminio tiene una elasticidad de 70 gigapascales y las fibras de carbono, con unos 700 gigapascales, son unas cien veces más elásticas. Estas propiedades mecánicas unido a su ligereza hacen que se consideren de alto interés como elementos estructurales para la fabricación de materiales compuestos ligeros de alta resistencia y elasticidad.

No deja de ser sorprendente si se piensa que se trata de pequeñísimas estructuras de carbono con diámetros de alrededor de un nanómetro y con la misma estructura electrónica que el grafeno -este último es una estructura laminar plana, de tan solo un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono. A simple vista, explica Maria Teresa Martínez, la apariencia de los nanotubos de carbono es como un polvo negro, "como hollín" pero a escala nanométrica su estructura muestra una alta simetría.

Esta investigadora, que dirige el Grupo de nanoestructuras de carbono y nanotecnología en el Instituto de Carboquímica del CSIC, trabaja en el desarrollo de aplicaciones basadas en nanotubos y en la mejora de sus métodos de obtención. ¿De qué dependen que se implanten los nanotubos de carbono a escala global? La razón no es el precio. Ya hay compañías en Japón, EE.UU., Francia y Bélgica, que producen toneladas de nanotubos carbono y están consiguiendo abaratar los precios, explica esta experta.

Mejorar la producción

En el mercado ya están disponibles aplicaciones como las pinturas electrostáticas, que incorporan nanotubos de carbono para aumentar la conductividad y, en consecuencia, eliminar la electricidad estática. Son de interés para la automoción o para su utilización en líneas de conducción de combustibles, ya que eliminan del riesgo de explosión. Otra aplicación similar son los recubrimientos para eliminar interferencias mediante apantallamiento de señales electromagnéticas, como el que se aplica en aeronaves. En este caso, los nanotubos se añaden a un polímero.

Que se desarrollen otro tipo de aplicaciones depende de que se perfeccionen los métodos de obtención, explica Martínez. Para la electrónica se necesitan nanotubos semiconductores mientras que, por ejemplo, para cintas conductoras se necesitan nanotubos metálicos, que pueden transportar densidades de corriente notablemente mas alta que los materiales tradicionales.

Que se desarrollen nuevas aplicaciones depende de que se perfeccionen los métodos de obtención

La diferencia entre uno y otro tipo estriba en su estructura. Pero, y ahí esta uno de los retos actuales, ambos tipos de nanotubos se generan simultáneamente con los sistemas actuales de síntesis. En el caso de las pinturas electrostáticas, esa mezcla no es ningún inconveniente. En cambio, para otro tipo de aplicaciones se requiere separar los nanotubos con un proceso de purificación que "consume mucho tiempo y tiene un rendimiento bajo", explica Martínez.

En ese sentido, en el Instituto de Carboquímica se trabaja en el diseño de un nuevo reactor y en la obtención de nuevos catalizadores para obtener nanotubos de forma selectiva y con un mejor control del diámetro y helicidad. "El control de la producción es un aspecto a resolver", detalla Maria Teresa Martínez. Las propiedades varían en función de la estructura del nanotubo, de su diámetro o del número de capas que tiene. De ahí la importancia de controlar al máximo el método de producción". Otro de los retos pendientes para la obtención de materiales compuestos, añade, es lograr una buena integración de los nanotubos en la matriz (normalmente, un polímero) para que las propiedades de los nanotubos puedan ser transferidas de forma óptima. transferencia.

Un aspecto positivo es que ahora se dispone de mejores sistemas de caracterización que permiten observar los nanotubos obtenidos con mayor precisión. Esta es una parte esencial de la investigación. Técnicas como la microscopia de fuerzas atómicas, la espectroscopia RAMAN, la microscopia electrónica de barrido y de transmisión de alta resolución, o la difracción de rayos X, permiten ver la estructura final de los nanotubos sintetizados. La tecnología ha avanzado mucho desde 1991, cuando se descubrieron los nanotubos. Entonces, la instrumentación científica disponible en la mayoría de los laboratorios no era suficiente para caracterizar suficientemente los nanotubos de carbono por lo que algunas líneas de investigación eran simplemente inviables.

Label-Free DNA Biosensors Based on Functionalized Carbon Nanotube Field Effect Transistors Maria Teresa Martnez, Yu-Chih Tseng, Nerea Ormategui, Iraida Loinaz, Ramon Eritja, Jeffrey Bokor Nano Letters 2009 9 (2), 530-536

Enlaces externos:

Instituto de Carboquímica (CSIC)

Universidad de Berkeley

Instituto de Química Avançada de Catalunya

Cidetec