Bionic nose: el olfato que avisa

Vamos a hablar nada más ni nada menos que de las narices artificiales. Puede que al lector le suene a ciencia ficción, pero en los últimos años se han desarrollado dispositivos para detectar olores y sabores imitando el sistema olfativo de los mamíferos.

Aquí os dejo un esquema sobre el funcionamiento de estos aparatos:

  1. El sistema de transducción de la señal: consiste básicamente en un array (una matriz) de sensores detectores de sustancias volátiles.   Tanto el número de sensores como la tecnología empleada para implementarlos influyen en las prestaciones de la aplicación.
  2. El bloque de adquisición de la señal: nos encontramos ante un conversor de datos analógicos (el voltaje de la corriente eléctrica producida por los sensores) en información digital (en código binario). Incluye, por tanto, componentes electrónicos.
  3. El sistema de procesado de datos: basado en el Aprendizaje Automático. Contiene un algoritmo que permite relacionar las entradas de datos con las salidas de datos en función de conocimientos adquiridos por estadística. Es decir, el sistema recibe una información digital de entrada referente a cada  olor y se le proporciona una información de salida (se le “dice” a que sustancia corresponde). Luego, aprende por estadística que unos datos de entrada determinados se corresponden con unos datos de salida. En lenguaje coloquial, la computadora se “condicionaría” para responder a los datos recogidos con el olor correspondiente.
  4. Por último, un bloque de presentación de resultados al usuario.

Este es un pequeño ejemplo de la colaboración entre dos disciplinas como la nanotecnologíay la biología para lograr la construcción de un dispositivo que sigue nuestro esquema, y cuya síntesis se apoya en ideas muy interesantes.

A principios de 2011, un equipo de investigadores de diferentes universidades de EEUU, lograron desarrollar un sistema de sensores que consta de nanotubos de carbono acoplados a receptores olfativos de ratón.

Los receptores olfativos (ORs) forman parte de una clase de proteínas conocida como receptores acoplados a proteína G (GPCRs). Estos receptores se sitúan en la cara externa de la membrana plasmática y pueden unirse a sustancias químicas del medio externo. Tras la unión se produce una cascada de señales químicas que estimulan a la célula para que responda.

El dispositivo en cuestión consta de una membrana artificial similar a la plasmática en la que se situaron los ORs (nanodisco) y que permitió que las proteínas fuesen funcionales durante más de dos meses.

Los ORs fueron acoplados a los nanotubos modificando la proteína para que tuviera un motivo His-tag con capacidad para unirse a iones níquel con los que se había bañado previamente el nanotubo. Un motivo His-tag es un oligopéptido de cinco o más aminoácidos histidina unidos que tienen la actividad quelante de Ni2+ antes mencionada.

Las sustancias pueden unirse a “huecos” de los ORs produciendo cambios en las distancias entre las proteínas y los nanotubos. Los nanotubos actúan como transistores, permitiendo convertir las señales químicas que el receptor produce en señales eléctricas.

La atmósfera presente entre el ORs y el nanotubo es húmeda, y al solvatarse cada sustancia se producen cambios en la conductancia del nanotubo (este suceso se da incluso cuando las sustancias volátiles no tienen carga). Como cada sustancia que se une a los ORs se solvata de una manera diferente, da lugar a unas señales eléctricas diferentes que nos permiten discriminar unas de otras.

Ya se han desarrollado montajes experimentales con un número de ORs similar al de humanos (350) y perros (1000) e incluso otro grupo de investigación de Corea del Sur ha desarrollado un dispositivo con ORs de humanos.

Entre las posibles aplicaciones que se le pueden dar a este dispositivo encontramos la detección de explosivos (por presencia de TNT en el aire), drogas, cáncer, tuberculosis y cepas de Staphylococcus resistentes a antibióticos (que desgraciadamente abundan en los hospitales y pueden infectar a individuos que acaben de salir del quirófano), presencia de microorganismos en alimentos…

BIBLIOGRAFÍA:

http://neurosciencenews.com/researchers-graft-olfactory-receptors-onto-nanotubes-nose/

Brett R. Goldsmith et al. “Biomimetic Chemical Sensors Using Nanoelectronic Readout of Olfactory Receptor Proteins” ACS Nano. June 22, 2011

Sang Hun Lee, Hye Jun Jin, Hyun Seok Song, Seunghun Hong, Tai Hyun Park. “Bioelectronic nose with high sensitivity and selectivity using chemically functionalized carbon nanotube combined with human olfactory receptor” Journal of Biotechnology.  September 7, 2011

http://es.wikipedia.org/wiki/Nariz_electronica

 

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