Un biosensor permite efectuar una detección ultrarrápida y barata del SARS-CoV-2

Se trata de un método no invasivo que se vale de muestras de saliva u otros fluidos corporales. Y el diagnóstico puede obtenerse mediante técnicas computacionales de visualización de la información y aprendizaje automático

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Los desafíos que trajo aparejados la pandemia de COVID-19 han venido estimulando innovaciones en diversos frentes. Uno de ellos es el desarrollo de métodos de bajo costo destinados al diagnóstico clínico. Y en este campo se insertan los genosensores. Basados en ácidos nucleicos que detectan cadenas simples con secuencias complementarias de ADN o ARN, son biosensores que permiten la realización de test masivos para la detección inmediata y sensible de material genético.

En Brasil acaba de fabricarse un dispositivo de este tipo, de probada eficiencia en la detección del SARS-CoV-2, en el marco de una labor a cargo de un equipo multidisciplinario de investigadores de diversas instituciones y coordinado por el físico Osvaldo Novais de Oliveira Junior, docente del Instituto de Física de São Carlos, de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP).

El resultado del análisis puede salir en 30 minutos, con costos a escala de laboratorio de menos de un dólar por genosensor. El costo de los componentes del medidor de impedancia, que constituye una parte durable de este dispositivo, es inferior a mil reales. El dispositivo ya existe a escala de laboratorio, y la tecnología puede transferírsele a cualquier empresa que cumpla con los requisitos necesarios para su producción masiva.

“Nuestro genosensor es capaz de inmovilizar una cadena simple de ADN, utilizada como secuencia de captura. En condiciones apropiadas, la cadena simple inmovilizada se une a otra cinta simple y complementaria de ADN contenida eventualmente en la muestra líquida que ha de analizarse. Este proceso, denominado hibridación, denuncia la presencia del SARS-CoV-2 en la muestra, que puede estar constituida por saliva u otros fluidos corporales”, le dice a Agência FAPESP la química Juliana Coatrini Soares.

La investigadora es la primera autora de un artículo en el cual se describe este trabajo, publicado en el periódico científico Materials Chemistry Frontiers.

Cómo funciona

Este dispositivo está compuesto por una monocapa autoorganizada de ácido 11-mercaptoundecanoico (11-MUA), unida químicamente a electrodos de vidrio que contienen pistas de oro de dimensiones micrométricas o a superficies con nanopartículas de oro. Este ambiente logra inmovilizar la cadena simple de ADN o ARN empleada como secuencia de captura. Y la hibridación con la hebra complementaria eventualmente existente en la muestra se denuncia a través de la variación de parámetros físicos, detectada mediante espectroscopía de impedancia eléctrica o electroquímica y resonancia de plasmones de superficie localizados.

“Tras la hibridación, se produce un aumento de la resistencia eléctrica sobre la superficie del sensor, que puede monitorearse con un analizador de impedancia de bajo costo, de alrededor de cien dólares, desarrollado en nuestro laboratorio por el ingeniero Lorenzo Buscaglia, uno de los integrantes del grupo. Otro efecto de la hibridación entre la secuencia de captura y la secuencia complementaria del SARS-CoV-2 es el desplazamiento del pico de absorbancia en el espectro transmitido, que puede monitorearse vía resonancia de plasmones de superficie localizados mediante el empleo de un espectrofotómetro”, explica el químico Paulo Augusto Raymundo Pereira, del IFSC-USP, quien participó en la investigación.

La mayor sensibilidad que se obtuvo en el estudio corresponde a 0,3 copia por microlitro, suficiente como para detectar la secuencia de ADN en la saliva o en otros fluidos corporales. Y el diagnóstico de secuencias complementarias de SARS-CoV-2 también se concretó mediante la aplicación de técnicas de aprendizaje de máquinas en imágenes de microscopía electrónica de barrido obtenidas en genosensores expuestos a distintas concentraciones de las secuencias de ADN complementarias.

“Al aplicar algoritmos de aprendizaje automático al procesamiento de imágenes, logramos obtener una alta precisión de distinción entre las diferentes concentraciones de secuencias complementarias de ADN del SARS-CoV-2”, informa Raymundo Pereira.

En todos los experimentos de detección, la selectividad de los genosensores se verificó con muestras de control, incluida una secuencia negativa para SARS-CoV-2 y otros biomarcadores de ADN no relacionados con el nuevo coronavirus. Al analizar los datos obtenidos aplicando la técnica de proyección multidimensional IDMAP (del inglés interactive document mapping), se observó una clara separación entre las muestras de la secuencia de ADN complementario en diversas concentraciones y en muestras con secuencias no complementarias y otros biomarcadores de ADN no correlacionados con el SARS-CoV-2.

“La ventaja de aplicar diversas metodologías de detección reside en la versatilidad del modo de operación, que hace posible la implementación del método de diagnóstico de acuerdo con la realidad de cada país o de cada región de países de dimensiones continentales, tal como es el caso de Brasil. Y nuestro genosensor es prometedor para la detección de material genético de nuevas variantes del SARS-CoV-2. Para ello, una vez conocida la secuenciación genética de la variante, basta con cambiar la cadena simple de ADN empleada como secuencia de captura”, comenta Novais de Oliveira Junior.

El equipo multidisciplinario que desarrolló el dispositivo contó con la participación de investigadores del IFSC-USP, del Instituto de Química de São Carlos (IQSC-USP), del Instituto de Ciencias Matemáticas y Computación (ICMC-USP), de la Unidad de Instrumentación de la Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa) y del Instituto de Pesquisa Pelé Pequeno Príncipe, de Curitiba (en el estado de Paraná).

Este estudio tuvo el apoyo de la FAPESP en el marco de diez proyectos: 16/01919-6, 19/13514-9, 18/18953-8, 19/00101-8, 20/02938-0, 16/23763-8, 19/07811-0, 18/19750-3, 14/50867-3 y 18/22214-6.

Puede leerse el artículo intitulado Detection of a SARS-CoV-2 sequence with genosensors using data analysis based on information visualization and machine learning techniques en el siguiente enlace: pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/qm/d1qm00665g#!divAbstract.