Por Roberto Carlos Gallo Villanueva y Víctor Hugo Pérez González
Las proteínas son biomoléculas necesarias para diversas funciones celulares. Su correcta identificación y el entendimiento de sus interacciones en las funciones de los seres vivos, es de suma importancia para el desarrollo y el crecimiento de la medicina y sus aplicaciones biotecnológicas.
Sin embargo, el tamaño y diversidad de las proteínas representan retos importantes para su uso y estudio.
La microfluídica es la manipulación de cantidades pequeñas de fluidos (volúmenes menores a un mililitro), esta disciplina ofrece ventajas sobre otros métodos convencionales y tiene grandes aplicaciones, ya que explota, deliberadamente, propiedades y fenómenos distintos a los que encontraríamos en equipos de laboratorio a mayor escala.
Dispositivos microfluídicos conocidos como LOC (Lab-on-a-chip o microlaboratorios), que incluyen plataformas POC (Point-of-care o pruebas de cabecera) han surgido como métodos viables en aplicaciones con proteínas, ya que usan muestras pequeñas, minimizando el uso de reactivos y desechos generados, logrando excelentes resultados al detectar cantidades muy pequeñas de moléculas con gran sensibilidad y selectividad.
Además, la producción de estos dispositivos llega a ser muy barata y su naturaleza portátil los vuelve ideales para desarrollar análisis rápidos y alejados de laboratorios centralizados.
5 métodos microfluídicos en tendencia
En un artículo recientemente publicado en la revista Electrophoresis [1], se presentan diferentes métodos empleados en dispositivos microfluídicos utilizados para la manipulación, identificación y purificación de proteína. A continuación explicamos algunos de ellos:
Procesos electromagnéticos
Al aplicar un voltaje entre dos electrodos y generar un campo eléctrico, surgen diferentes fuerzas conocidas como electrocinéticas (electroforesis, electroósmosis, dielectroforesis, entre otras) que explotan diferencias sutiles en las propiedades eléctricas y dieléctricas de las proteínas, y logran una manipulación específica de la o las proteínas deseadas.
Los procesos de manufactura para producir estos dispositivos en la micro y nanoescala han avanzado de gran manera, de forma que las necesidades de los equipos para producir estas fuerzas van en disminución. Aunque todavía queda una amplia área de desarrollo para mejorarlos.
Técnicas cromatográficas
La microfluídica ha logrado incluir, dentro de sus aplicaciones, procesos que explotan propiedades de las proteínas como la carga, el tamaño e incluso la forma, para permitir separaciones con gran selectividad.
Éstos se benefician de las diferencias entre las interacciones de distintas naturalezas entre los analitos que fluyen (fase móvil) y el empaquetamiento con superficies modificadas (fase estacionaria).
Entre los tipos de cromatografía que se han desarrollado en la micro y nanoescala, se encuentran las basadas en afinidad, en adsorción, en exclusión de tamaño y en intercambio iónico.
Éstas funcionan como filtros modificados químicamente en su superficie para acrecentar las diferencias entre las proteínas, logrando así su separación.
Extracción líquido-líquido
Esta técnica aprovecha la afinidad química de las proteínas por diferentes líquidos. De tal forma que, al poner en contacto proteínas con líquidos inmiscibles, las proteínas preferirán alguno de estos y se desplazarán hacia él.
Al aplicar este principio en canales microfluídicos se toma ventaja del incremento del área de contacto entre los diferentes líquidos con respecto a su volumen, logrando procesos en corto tiempo, con alta eficiencia de separación.
Dispositivos que emplean esto, incluyen sistemas de dos fases acuosas (aqueous-two-phase-systems, ATPS) y sistemas de extracción líquido-líquido por formación de gotas. Este último incrementa de manera notoria el área superficial de contacto entre los líquidos para el intercambio de proteínas.
Acustoferesis
Otra aplicación que aprovecha las diferentes propiedades de las proteínas es la acustoforesis, que utiliza un gradiente de presión dentro de un microcanal, utilizando ondas de sonido a ciertas frecuencias generadas con un dispositivo piezoeléctrico, con la finalidad de separar proteínas en una muestra al explotar sus diferencias en tamaño, densidad y compresibilidad.
Fuerzas de inercia
Otra técnica que usa es el equilibrio de fuerzas inerciales, de corte y ascensión dentro de canales rectos o curvos (en serpentín o espiral), el cual será diferente para cada proteína, dependiendo de su naturaleza física, permitiendo así su separación.
Aquí, la manipulación sólo depende de la geometría y las dimensiones del canal, además de las fuerzas viscosas, por lo que se convierte en una alternativa que no afecta a las proteínas. Sólo es necesario un equipo para transferir la muestra.
Por otra parte, la microfluídica basada en papel es muy similar a la metodología anterior, pero además no necesita de esos equipos para la transferencia de la muestra. Esta explota fuerzas capilares para mover el fluido, creando plataformas muy económicas tanto para fabricar como para operar, y así proporcionar una herramienta altamente biocompatible.
Avances y retos en microfluídica
Estas técnicas microfluídicas, a pesar de presentar gran eficiencia para manipular, separar e identificar proteínas, aún presentan retos importantes para proporcionar plataformas listas para su comercialización y uso extensivo.
En el Tecnológico de Monterrey, los proyectos interdisciplinarios buscan vencer esos desafíos. El proyecto insignia Aging 360 y la iniciativa estratégica de Nanotecnología y semiconductores, buscan impulsar el diseño, la fabricación y la aplicación de sistemas microfluídicos en estas áreas del estudio de proteínas.
Como ejemplo, los sistemas que incluyen fuerzas electrocinéticas pueden tener efectos adversos en el fluido que transporta a las proteínas, lo que puede modificar y hasta dañar las muestras.
Los equipos que generalmente se usan para generar los campos eléctricos aún necesitan su miniaturización e integración en una plataforma realmente portátil. Sin embargo, presentan una gran alternativa para la manipulación de proteínas, sin necesidad de modificarlas químicamente (sin etiquetado), y pueden diseñarse para evitar otros sistemas externos para mover el fluido.
Por su parte, los sistemas cromatográficos y los de extracción líquido-líquido están ya establecidos y han demostrado excelentes aplicaciones con proteínas. Aunque todavía requieren el uso de equipo externo de laboratorio para manipular los fluidos a través de los canales. Además de que, algunas veces, necesitan pretratamiento a las muestras.
Las técnicas de acustoforesis y de fuerzas inerciales también requieren de estos equipos externos para bombeo de muestras, y se puede dificultar la separación de proteínas con propiedades similares. En cambio, pueden manejar altos volúmenes de estas y no modifican el medio de suspensión en el que se encuentran.
A pesar de estos retos, se avanza en la integración de estos dispositivos. Por ejemplo, con sensores ópticos o electroquímicos, de manera que pronto se puedan tener plataformas completamente integradas que cumplan con los estándares establecidos por la Organización Mundial de la Salud (OMS) para análisis en pruebas de cabecera, que acerquen a los individuos a mejoras en la prevención y cuidado de la salud.
Referencia
[1] De los Santos‐Ramirez, J. M., Boyas‐Chavez, P. G., Cerrillos‐Ordoñez, A., Mata‐Gomez, M., Gallo‐Villanueva, R. C., & Perez‐Gonzalez, V. H. (2024). Trends and challenges in microfluidic methods for protein manipulation—A review. Electrophoresis, 45(1-2), 69-100.
Autores
Roberto Carlos Gallo Villanueva. Es profesor investigador del Grupo de Enfoque en Nanosensores y Dispositivos, de la Escuela de Ingeniería y Ciencias, del Tec de Monterrey. Es doctor en Ciencias de Ingeniería con especialidad en Biotecnología. Su área de interés es los métodos electrocinéticos en microfluídica para aplicaciones biológicas y biomédicas. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores.
Víctor Hugo Pérez González. Es Doctor en Tecnologías de Información y Comunicaciones, del Tec de Monterrey. Actualmente es profesor investigador en el Grupo de Investigación y Enfoque Estratégico: Nanosensores y Dispositivos. Dirige el grupo de investigación de Ciencia de Interfaz y es miembro del Sistema Nacional de Investigadores.
