Biosensores: Tipos, Funcionamiento y Aplicaciones en Biotecnología

Biosensores: Fundamentos y Aplicaciones

Concepto y Funcionamiento de los Biosensores

Los biosensores son dispositivos compactos empleados en análisis que incluyen en su estructura un sistema de reconocimiento de moléculas biológicas o biomiméticas. Estos se encuentran asociados a un elemento de transducción para procesar la señal que se produce al interaccionar el analito y el elemento de reconocimiento.

• Trabajan a tiempo real, en un periodo corto, con capacidad de realizar multianálisis.
• Tienen un coste bajo, reducen o eliminan la necesidad de preparar la muestra, poseen bajos requerimientos operativos, son portátiles y automatizables.
• Ofrecen un manejo sencillo y alta sensibilidad, selectividad y fiabilidad.

El principio por el que se rigen es la detección de una señal emitida por la interacción (reacción o unión) del analito de interés hacia el elemento de reconocimiento. El resultado genera una variación de alguna propiedad fisicoquímica o varias (calor, pH, propiedades ópticas, transferencia de electrones, etc.), la cual es detectada por el transductor, amplificada por un amplificador de señal y, finalmente, se transmite a un sistema que recoge toda la información recibida.

Clasificación de los Biosensores

Según el Tipo de Interacción

• Biocatalítica (enzimática): Se basan en reacciones enzimáticas.
• Bioafinidad: Se fundamentan en la afinidad específica entre moléculas, como la unión antígeno-anticuerpo.

Según la Detección de la Interacción

• Directa: Miden directamente la interacción entre el analito y el elemento de reconocimiento.
• Indirecta: Emplean un intermediario o marcador para detectar la interacción.

Según el Elemento que se Reconoce

• Enzima
• Orgánulo, tejido o célula
• Receptor celular
• Anticuerpo
• Ácidos nucleicos
• PIM, PNA y aptámero

Según el Sistema de Transducción

• Electroquímico
• Óptico
• Piezoeléctrico
• Termométrico
• Nanomecánico

Biosensores Basados en la Interacción Antígeno-Anticuerpo

Estos biosensores se basan en las reacciones antígeno-anticuerpo. Son sensores de bioafinidad, donde no se producen reacciones catalíticas al interactuar el analito y el elemento de reconocimiento. Para medir la interacción, se utiliza el marcaje del receptor o un elemento que compite con el analito por la unión al receptor.

Los anticuerpos son proteínas que se unen a moléculas complementarias denominadas antígenos (analito). La detección de los antígenos hace necesaria la producción de anticuerpos específicos y particulares, su posterior aislamiento y purificación.

La detección de la interacción del antígeno con el anticuerpo puede llevarse a cabo de forma directa; se suelen acoplar enzimas para el marcaje de ambas. La especificidad de la unión del complejo antígeno-anticuerpo determina la sensibilidad del sensor. Se necesitan compuestos especiales para romperla.

Radioinmunoensayo (RIA)

El Radioinmunoensayo (RIA) emplea un antígeno purificado que se marca con un radioisótopo y compite con un antígeno estándar no marcado o con el antígeno de la muestra problema. La competición se establece entre ambos antígenos por unirse con los anticuerpos.

Se emplean isótopos radiactivos, siendo el isótopo iodo-125 el más utilizado como sistema de detección, ya que las proteínas se pueden yodar con facilidad sin alterar su especificidad. La radiactividad se detecta por medio de analizadores de radioisótopos y autorradiografía. Si hay mucho antígeno, competirá con el antígeno marcado con radioisótopos y se ligará poca radiactividad. Una gran cantidad de radiactividad ligada indica poco antígeno en la muestra problema.

Procedimiento del RIA

1. Se añaden anticuerpos antígeno-específicos a micropocillos que contienen concentraciones conocidas de antígeno puro. Después se mide la radiactividad (valores estándar).
2. Se deja que la muestra problema se una en otro pocillo y se añaden y miden los anticuerpos radiactivos. La cantidad de radiactividad se compara con una gráfica estándar, y la concentración del antígeno se interpola a partir de la gráfica estándar.

El RIA presenta el mismo rango de sensibilidad que el ELISA. Los instrumentos y analizadores son especializados y costosos. El RIA genera residuos radiactivos, y se suele utilizar cuando el ELISA no es suficientemente seguro o sensible.