Una bacteria diseñada para producir diferentes pigmentos en respuesta a los niveles variables de un micronutriente en muestras de sangre podría brindar a los funcionarios de salud una forma económica de detectar deficiencias nutricionales en áreas del mundo con recursos limitados. Esta "prueba de fuego bacteriano", que actualmente mideniveles de zinc, no requerirían equipo eléctrico y harían visibles los resultados como simples cambios de color.
Más de mil millones de personas en todo el mundo pueden estar en riesgo de una ingesta adecuada de zinc, pero medir los niveles de zinc en muestras de sangre actualmente requiere un equipo de prueba sofisticado que no está disponible en muchas áreas afectadas. Si las pruebas de campo muestran que el biosensor puede medir con éxito los niveles de zinc, los investigadoresEsperamos extender el concepto a otros micronutrientes, incluidas las vitaminas.
"Creemos que esta es la tecnología suficiente para satisfacer las necesidades", dijo Mark Styczynski, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular del Instituto de Tecnología de Georgia. "La información que podemos proporcionar algún día podría ayudar a los epidemiólogos nutricionalesy las organizaciones no gubernamentales determinan las poblaciones de personas que pueden necesitar intervenciones para abordar las deficiencias nutricionales ".
El trabajo de prueba de concepto se informó en la edición de septiembre de la revista Metabolic Engineering. La investigación fue apoyada por la Fundación Bill y Melinda Gates, la Fundación Nacional de Ciencias y los Institutos Nacionales de Salud.
El biosensor se basa en modificado Escherichia coli E. coli, una bacteria que se usa con frecuencia en ingeniería genética. E. coli tiene un sistema transcripcional que responde al nivel de zinc en su entorno, y los investigadores lo han ajustado para desencadenar la producción de púrpura, rojoy pigmentos naranjas. La maquinaria genética para la producción de esos pigmentos se tomó de otras fuentes biológicas y se introdujo en E. coli.
En la práctica, los profesionales de la salud en el campo obtendrían muestras de sangre de personas sospechosas de tener una deficiencia de zinc. Las muestras de sangre se girarían en un dispositivo mecánico simple que se asemeja a un batidor de huevos para separar el plasma de las células sanguíneas. El plasma entoncescolocarse en un tubo de ensayo u otro recipiente con un gránulo que contiene la E. coli modificada.
Una vez mezclado con el plasma, la E. coli se multiplicaría, produciendo el color correspondiente al nivel de zinc en el plasma sanguíneo. El púrpura correspondería a niveles peligrosamente bajos, mientras que el rojo indicaría niveles límite y el naranja a niveles normales.el color sería fácilmente visible sin ningún equipo de diagnóstico u otro equipo electrónico.
"El proceso para el cambio de color tomaría aproximadamente 24 horas desde que se agrega la muestra de plasma, aunque esperamos acelerar eso", dijo Styczynski.
La prueba no se realizaría para identificar a las personas que necesitan tratamiento, sino que se utilizaría para evaluar las necesidades nutricionales de una población mayor de personas.
"Los lugares donde es probable que encuentre deficiencias de micronutrientes generalmente serán países pobres en recursos, o tal vez lugares que sufren desastres naturales", explicó Styczynski. "Estas deficiencias no se tratan a nivel individual, sino que se consideran a nivel de poblacióny se usa para tratar un pueblo o una región que puede verse afectada. Podríamos tomar muestras de 50 o 100 personas y poder evaluar el estado nutricional de un área ".
Debido a que las bacterias no tienen los mismos requisitos para muchas vitaminas relevantes para la salud humana, los investigadores pueden tener que cambiar los organismos cuando desarrollan pruebas para otros micronutrientes, como la vitamina A. Esas pruebas probablemente usarán un organismo de levadura que también ha sidoampliamente estudiado y en el cual se puede introducir la maquinaria genética de detección y producción de pigmento.
"En última instancia, esperamos poder analizar un conjunto completo de nutrientes en un período de tiempo razonablemente corto y a un costo relativamente bajo porque no se necesitaría equipo en el campo", agregó Styczynski.
Como parte de su investigación, Styczynski y los asistentes de investigación graduados Daniel Watstein y Monica McNerney diseñaron maquinaria para la producción de pigmentos en E. coli. Los colores rojo y naranja, licopeno y betacaroteno, son producidos por genes tomados de Pantoea anantis, unpatógeno de plantas. El color púrpura, violaceína, provenía de una bacteria del suelo. Los genes para producir los pigmentos se colocaron en un plásmido y se introdujeron en la bacteria.
Los investigadores utilizaron dos proteínas con detección de zinc dentro de E. coli y controlaron el grado en que esas proteínas podrían activar y desactivar los genes productores de pigmento. Este enfoque hizo que las proteínas con detección de zinc respondieran a niveles de zinc cercanos a los esperadosse encuentran en el plasma sanguíneo y se pueden usar para permitir que se activen a niveles arbitrarios.
Uno de los desafíos era evitar producir cantidades de pigmento que pudieran ser tóxicas para la bacteria, mientras se producía pigmento lo suficientemente rápido como para ser visible a simple vista. Y debido a que los pigmentos naranja y rojo se generan en la misma vía metabólica, ellos investigadores necesitaban establecer formas de producir solo uno u otro a la vez, un desafío que su trabajo muestra puede abordarse de manera factible, aunque todavía están trabajando para ajustar la implementación.
Styczynski cree que este sistema es el primero diseñado para medir los micronutrientes de la sangre utilizando bacterias sin necesidad de equipos de diagnóstico. Otras técnicas han requerido equipos de medición especializados que son difíciles de transportar y mantener en el campo.
"La idea general de la biodetección ciertamente existe, pero hemos dado el paso de desarrollar un sistema que no requiera equipo en el campo", dijo. "Creemos que esto funcionará bien en recursos bajosáreas "
Entre los próximos pasos se encuentran el desarrollo de técnicas para liofilizar la bacteria y una evaluación del impacto ecológico potencial de la bacteria modificada. Styczynski espera que los ensayos de campo puedan comenzar en los próximos dos años.
"Esta es una prueba de principio convincente, y esperamos comenzar los aspectos de traducción de este sistema basados en lo que ya hemos mostrado", agregó. "Ahora se trata de reducir esto para practicar para algo que puedaen última instancia, ser útil "
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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