Imagen
de microscopio de nanodiamantes, cada uno mide aproximadamente 100 micras de diámetro
[una micra o micrómetro es la millonésima parte del metro [µm], Los defectos específicos
de la red no sólo imparten un color de los diamantes, también proporcionan la
base del campo magnético del sensor. Las porciones de estos nanodiamantes
fueron obtenidos por el equipo de la Universidad de Ulm en pelotas de 20 nm [nanómetros].
Crédito: Cortesía de Fedor Jelezko
Un
grupo internacional de investigadores ha desarrollado un biosensor de nanodiamantes que puede determinar el
contenido de hierro en la sangre. El sensor
utiliza defectos en los pequeños diamantes para detectar una proteína
particular que almacena hierro en la sangre y que también se encuentra en
muchos tipos de organismos vivos. Los
investigadores esperan ampliar la tecnología del sensor para permitir la
detección de otras proteínas.
El
hierro abunda en la mayoría de los organismos vivos - y las proteínas que
contienen el metal se encuentran en todo, desde los micro-organismos
unicelulares a los seres humanos. En los seres humanos,
las deficiencias de hierro son causadas principalmente por la mala nutrición pudiendo
conducir a la anemia, mientras que un aumento del nivel de hierro puede indicar
la presencia de una respuesta inflamatoria aguda. Por lo tanto,
la medición precisa de los niveles de hierro en la sangre es una esencial herramienta
de diagnóstico médico.
Detección
Sin
embargo, la detección de proteínas individuales específicas en las muestras biológicas no es poca cosa; los
métodos actuales implican el uso de marcadores orgánicos - tintes fluorescentes
y proteínas - o puntos cuánticos. En
cambio, los marcadores tienden a la lejía después de haber sido usados
durante un tiempo y los puntos cuánticos pueden degradar la muestra. Los análisis de sangre estándar implican la detección de una
proteína, conocida como ferritina, responsable del almacenamiento y el
transporte de hierro pudiendo contener hasta 4.500 iones de hierro magnéticos.
Gracias a la utilización de los colorantes orgánicos o los puntos cuánticos,
los resultados pueden ser poco concluyentes, ya que indirectamente infieren las
cantidades de hierro.
Un
equipo dirigido por el físico Fedor Jelezko en la Universidad de Ulm en
Alemania, junto con colegas de China, ha desarrollado un método para detectar
la ferritina con diamantes de tamaño nanométrico que contienen imperfecciones
de la red conocidos como defectos de nitrógeno vacantes (NV). Estos defectos se producen cuando dos átomos de carbono
vecinos en el diamante se sustituyen por un átomo de nitrógeno y dejando un
sitio de celosía vacío. Tales sitios NV
son capaces de detectar campos magnéticos débiles. Esto fue precisamente lo que los investigadores estaban
buscando, ya que cada átomo de hierro ferritina con destino genera un pequeño
campo magnético que normalmente es difícil de medir.
Sitios especiales
Jelezko
dijo a physicsworld.com que los sitios NV fueron cruciales para el desarrollo del
nuevo sensor. Por ello, los investigadores de la Universidad de Ulm emparejados con Huan-Cheng Chang y sus colegas
de la Academia Sinica
en Taiwán, irradiaron los nanodiamantes que estaban disponibles comercialmente,
con iones pesados creando así las NVs.
Espectro estelar
Como
una evidencia de la prueba de principio de los investigadores, utilizaron los
nanodiamantes para detectar una muestra purificada de la proteína ferritina en
lugar de una muestra obtenida directamente de la sangre. Para ello, Jelezko y
sus colegas tuvieron que encontrar una manera de absorber la ferritina en la
superficie del diamante. Esto se hizo
utilizando las interacciones electrostáticas entre las nano-diamantes y las
proteínas ferritina, dando como resultado un enlace no covalente formado entre
la superficie del diamante y un grupo amino en la proteína. Los investigadores detectaron entonces la ferritina a través
del "ruido magnético" generado por los átomos de hierro en la
proteína al someterlos a un constante
tirón durante sus momentos magnéticos
inestables.
"Esencialmente
Medimos la amplitud del ruido magnético en los sitios NV", dice Jelezko. También señala que, si bien en la mayoría de experimentos de
ruido de cualquier tipo es un obstáculo, en este caso es crucial. "De hecho,
no sólo detectar la amplitud, sino también la frecuencia y por lo tanto el
espectro del ruido," dice Jelezko. Explica, además,
que los investigadores pueden utilizar sus resultados para calcular el número
de átomos que son responsables para generar el ruido – a mayor cantidad de
átomos, mayor es la frecuencia de la voltea. Jelezko compara
esta técnica a la astronomía, donde el espectro de una estrella revela su
composición y procesos internos."No
tocamos el hierro dentro de la proteína, que mide el ruido que sale en lugar y
por eso tenemos una técnica sin contacto", dice.
Imagen: Diamantes de tamaño nanométrico
que contienen centros vacantes de defectos de nitrógeno [NV] determinados por
nanosensores que prometen un entorno
biológico debido a su biocompatibilidad, fluorescencia brillante y alta
sensibilidad magnética en condiciones ambientales optimas. Aquí… (*) Crédito: Nano Letters
Detección Directa
El
equipo observó una reducción significativa tanto en la coherencia y el tiempo
de relajación del espín de un NV causado por la presencia de la ferritina - de
hecho, el efecto observado era lo suficientemente grande para una sola molécula
de ferritina cerca del sensor para ser detectada. Los
investigadores también utilizaron un modelo teórico para validar el método,
para asegurar que las señales que se midieron fueron consistentes con la
presencia de la ferritina.
El
nuevo trabajo muestra que los biosensores NV son un desarrollo prometedor
gracias a su bio-compatibilidad y alta sensibilidad magnética en condiciones
ambientales optimas. Jelezko dice
que el método pronto podría ser utilizado para detectar hierro en muestras de
sangre en forma directa, colocando simplemente el nanodiamante en una muestra
de sangre y luego lavar todo la ferritina; o mediante la creación de un canal de
microfluidos en el diamante para enviarlo a través de la muestra. También piensa que los ensayos clínicos con muestras de
sangre real podrían llevarse a cabo con facilidad, sobre todo gracias al hecho
de que se requiere sólo una pequeña muestra. Por el
momento, el equipo estudia otras proteínas y sustancias de la sangre, que
ouedan detectarse mediante el sensor.
La
investigación liderada por A. Ermakova,
G. Pramanik, F. Jelezko et al., fue publicada en la revista Nano Letters . bajo el título “Detection of a Few Metallo-Protein
Molecules Using Color Centers in Nanodiamonds” DOI:10.1021/nl4015223
Traducción
libre de SOCA
