La zeína, una alternativa sostenible a los materiales plásticos en biosensores

La zeína es una proteína del maíz utilizada en alimentación y otras industrias. Científicas de las universidades de Valencia y Cambridge (Reino Unido) la proponen ahora como alternativa a los derivados del petróleo a la hora de diseñar dispositivos de monitorización, biokits y biosensores. El trabajo se ha publicado en la revista Biosensors and Bioelectronics.

La propuesta, con el horizonte en la reducción del uso de materiales plásticos, implica la creación de dispositivos biodegradables y ecológicos basados en la química verde. Además, permite análisis in situ, de forma fácil y rápida y en la mayoría de casos sin la necesidad de fuentes de energía externa, es decir, con un consumo energético nulo. “Los materiales biodegradables deben de ser en un futuro próximo los sustitutos definitivos de los actuales plásticos”, ha destacado Neus Jornet, una de las autoras del artículo e investigadora en el Departamento de Química Analítica de la Universidad de Valencia (UV).

Los biosensores son dispositivos que incorporan material de naturaleza biológica (enzimas, microorganismos, anticuerpos, proteínas etc.) integrados en soportes normalmente no biodegradables y utilizados para medir parámetros biológicos o químicos. Entre los más comunes destacan niveles de glucosa y colesterol en sangre o de nitratos, fosfatos y amonio en aguas.

Esta proteína del maíz es altamente biodegradable y no requiere de ningún tratamiento de reciclaje

La mayoría de los dispositivos de este tipo utilizados están constituidos por materiales no degradables, en un contexto en el que su uso continúa aumentando. Una vez quedan obsoletos, generan una gran cantidad de residuos que tienen que ser convenientemente tratados. Por el contrario, la zeína es altamente biodegradable, y no requiere de ningún tratamiento de reciclaje, sostienen desde el equipo investigador de las universidades de Valencia y Cambridge.

La zeína, además, posee unas características ideales para la inmovilización de diferentes compuestos o moléculas así como de enzimas, que hace que conserve las propiedades de los mismos, y es capaz de liberarlos en el momento del muestreo. En la investigación se ha incorporado también glicerol, un producto natural, biodegradable y no tóxico, utilizado, entre otros, en las industrias farmacéutica y alimentaria que actúa como plastificando y mejora la flexibilidad de los materiales sobre los que actúa.

A partir de este material se han obtenido diferentes tipos de dispositivos ópticos o biokits (conjunto de los biosensores y la disolución tampón necesaria para el ensayo) con aplicaciones en diferentes áreas, frente a otros dispositivos que si bien detectan fosfatos, no lo hacen en las concentraciones adecuadas, no son suficientemente robustos, selectivos, fáciles de utilizar, ni tampoco ecológicos ni baratos.

Entre las aplicaciones que se derivan de la investigación, Jornet destaca “las aplicaciones de diseño de biosensores por el análisis in situ de fosfato en aguas o para estimar la presencia de pesticidas organofosforatos, concretamente el clorpirifós en productos comerciales y preparados, o en aplicaciones forenses”.

Detección de fosfatos en las aguas

Uno de los biokits detecta el exceso de fosfatos en las aguas, un hecho que provoca deficiencia de oxígeno y afecta directamente a la calidad del líquido. Para hacer frente a esta situación, se ha desarrollado un dispositivo capaz de detectar fosfatos inorgánicos en las concentraciones adecuadas y se ha probado en aguas de río, de costa, de lago y en agua del grifo en la Comunidad Valenciana. En ningún caso se han encontrado concentraciones por encima de las establecidas como perjudiciales según la legislación.

Otro de los biokits desarrollados se ha utilizado para la detección de clorpirifós en preparados comerciales utilizados como pesticidas en la agricultura. El clorpirifós es uno de los pesticidas más utilizados en Estados Unidos a pesar de que es considerado por la EPA (Agencia de Protección Ambiental americana) como sustancia de categoría II: moderadamente tóxica. En el Mediterráneo también se ha utilizado y se utiliza este pesticida, pues es uno de los tratamientos más eficaces contra el Rhynchophorus ferrugineus, conocido como Picudo Rojo.

Se ha diseñado un biokit para detectar la enzima alcalina fosfatasa, que ofrece información periodontal, en la saliva

También se ha diseñado un biokit con aplicaciones en el campo de la salud, concretamente para la detección de alcalina fosfatasa en saliva. La alcalina fosfatasa es una enzima directamente relacionada con el crecimiento del tejido óseo. Niveles altos de alcalina fosfatasa en la saliva son un indicativo de la destrucción del tejido periodontal (tejido que rodea al diente; encías, hueso y ligamentos) como en el caso del crecimiento natural de los dientes en niños. También puede deberse a enfermedades periodontales en adultos.

Muestras de saliva de adultos sanos y niños menores de 4 años demuestran que los niveles más altos se han encontrado en niños. “Nosotros creemos que se podría aplicar en ciencias forenses para saber si las muestras de saliva encontradas provienen de adultos o de niños”, destaca Jornet. Otra aplicación propuesta es la determinación de alcalina fosfatasa en sangre como indicativo de enfermedades óseas.

Derivados del biodiésel y el bioetanol

“También, la utilización de la zeína y el glicerol en el diseño de los biosensores y biokits puede potenciar sectores como los derivados de la fabricación del biodiésel y el bioetanol. Además, la zeína y el glicerol pueden obtenerse como productos secundarios en la obtención de biodiésel y bioetanol respectivamente, y suponen un valor añadido para este tipo de industria en crecimiento”, completa Jornet.

Este proyecto ha sido subvencionado por la Generalidad Valenciana, dentro del Programa PROMETEO, concedido al Grupo Miniaturización y Métodos de Análisis Totales (MINTOTA) del departamento de Química Analítica de la Facultad de Química de la UV. El grupo está dirigido por Pilar Campins Falcó.

Esta investigación forma parte del proyecto de investigación Desarrollo de nuevas estrategias para el diseño de dispositivos de análisis in situ, el cual busca nuevos dispositivos de monitorización o sensores que se adapten a las necesidades actuales de la sociedad, de bajo coste, reducido o nulo consumo energético, versatilidad del emplazamiento, uso puntual y evaluación de grandes áreas con resolución espacial.

El proyecto se ha realizado en colaboración entre el departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de la UV y el Grupo de Investigación de Biotecnología Analítica dirigido por Elizabeth Hall en la Universidad de Cambridge a través de la estancia predoctoral de la investigadora Neus Martínez Jornet, financiada por la Generalitat Valenciana. La investigación de Elizabeth Hall está enfocada a entender cómo interactúa la biología con los sistemas eléctricos, mecánicos y ópticos. El grupo posee amplia experiencia en el diseño y la utilización de nuevos materiales inteligentes con aplicaciones en el área del control de la contaminación ambiental y en biomedicina; diagnóstico y tratamiento médico personalizado.