Por Eduardo Gil (CSIC)*

Imagina que estiras un muelle. Esto hace que lo muevas de su posición de reposo. Se contrae, se estira y vuelve a su forma original. Mantendrá este movimiento oscilatorio durante cierto tiempo. El número de veces que se repite en un segundo se llama frecuencia, medida en hercios (Hz) – un hercio equivale a una oscilación por segundo-. Las oscilaciones de los muelles podemos observarlas con nuestros ojos, e incluso contarlas sin gran dificultad. Sin embargo, cuanto más pequeño sea un objeto, las oscilaciones tendrán una menor amplitud y una mayor frecuencia y, por tanto, será más difícil verlas.

Otro ejemplo clásico de resonador mecánico es el de la cuerda de una guitarra. Cada una de las cuerdas tiene dimensiones diferentes y por ello emiten sonidos distintos. Por ejemplo, cuando se toca la nota musical LA3 la cuerda vibra a 440 Hz, es decir, se comprime y expande 440 veces por segundo. Las vibraciones de una cuerda son más difíciles de observar con nuestros ojos y, por supuesto, no es posible contarlas. Sin embargo, estas vibraciones las percibimos con nuestros oídos, que son sensibles a su frecuencia, por ello distinguimos entre vibraciones que producen sonidos graves o agudos.

Microdiscos optomecánicos que actúan como sensores y bacterias Staphylococcus Epidermidis, que vibran a frecuencias de cientos de megahercios, cayendo sobre ellos. / Imagen: Scixel

Toda estructura mecánica es elástica en mayor o menor medida. Pero cada objeto vibra a frecuencias determinadas que dependen de sus propiedades morfológicas (forma) y mecánicas (densidad, rigidez, viscosidad, etc.). Por lo tanto, ‘escuchando’ las frecuencias de las vibraciones de un objeto podemos inferir sus propiedades físicas. Como se ha mencionado anteriormente, cuanto más pequeño es un objeto, mayores son sus frecuencias de vibración. En el caso de las bacterias y los virus, sus tamaños microscópicos e incluso nanoscópicos hacen que sus frecuencias de vibración sean extremadamente altas. Las bacterias suelen tener tamaños en torno a las micras (una millonésima parte de un metro), vibran a frecuencias de cientos de millones de hercios (cientos de millones de oscilaciones por segundo) con una amplitud extremadamente pequeña, en torno al tamaño de un átomo. Los virus son entidades aún más pequeñas, por lo que oscilan con amplitudes aún menores. Sus dimensiones se encuentran en torno a los cien nanómetros, e incluso por debajo. Son entre 10 y 1.000 veces más pequeños que las bacterias y, por lo tanto, oscilan a frecuencias entre 10 y 1.000 veces más altas. Así, los virus vibran más de mil millones de veces por segundo con amplitudes menores al tamaño de un átomo.

Nanosensores para detectar virus y bacterias

¿Y si hubiera aparatos para identificar y medir estas vibraciones? Desde el grupo de Bionanomecánica del Instituto de Micro y Nanotecnología del CSIC trabajamos desde hace casi dos décadas en el desarrollo de nanosensores para la detección, caracterización e identificación de todo tipo de entidades biológicas (células humanas, bacterias, virus, proteínas, etc.). Estos nanosensores también se pueden considerar como muelles. Vibran a ciertas frecuencias que se ven modificadas cuando las entidades biológicas se adhieren a ellos. A través de estas variaciones se pueden determinar la masa y las propiedades mecánicas de las bacterias o los virus, además de poder identificarse a nivel individual.

Hace poco más de un año se descubrió que estos mismos nanosensores eran capaces de detectar las vibraciones de las bacterias, es decir, de escucharlas. Pero, ¿para qué sirve escuchar las bacterias? Con esta nueva aproximación, los nanosensores poseen una sensibilidad muchísimo mayor que sus predecesores en la caracterización de los objetos analizados y, por tanto, en su identificación. Una de las aplicaciones de esta técnica consiste en desarrollar sensores universales que sean capaces de detectar la presencia de todo tipo de bacterias y virus en un único test. El fin último sería el diagnóstico de enfermedades infecciosas.

Una tecnología que reduciría el coste de los diagnósticos

Hoy en día, para diagnosticar una enfermedad infecciosa, es necesario que desde la medicina se intuya previamente qué patógeno podría estar causándola. Después, deben realizarse pruebas específicas para determinar si el patógeno concreto se encuentra en el cuerpo del paciente. Si la prueba es positiva, problema resuelto. Sin embargo, si la prueba arroja un resultado negativo o no concluyente, el diagnóstico de la enfermedad se retrasa. Esto obliga a hacer nuevas pruebas y demora el tratamiento del paciente. Al disponer de una tecnología que permitiese diagnosticar las enfermedades infecciosas de forma universal, se reduciría el coste del diagnóstico de manera significativa. Y lo que es más importante, los pacientes recibirían el tratamiento adecuado lo antes posible. Por otro lado, ser capaces de caracterizar las propiedades físicas de estas entidades biológicas con suficiente precisión tendrá un gran impacto en la biomedicina, dado que este avance que permitirá desarrollar nuevos medicamentos y tratamientos. La aplicación de estos nanosensores no se limita al estudio o detección de bacterias y virus, sino que se podría extender la tecnología a otras entidades biológicas como proteínas o células humanas y aplicarla, por ejemplo, a la detección temprana del cáncer.

*Eduardo Gil es investigador en el grupo de Bionanomecánica del Instituto de Micro y Nanotecnología del CSIC.