Bioluminiscencia en un biosensor: La insólita relación entre un calamar y la contaminación de los ríos

Esa preciosidad que veis en la imagen es el calamar hawaiano Euprymna scolopes. Es tan bonito que cuesta creer que sea un animal real y no un dibujo, pero este bichito tan mono vive en el Pacífico, en concreto cerca de la costa de Hawái. Además de por sus enormes ojazos, este calamar destaca por su iridiscencia, que llama la atención de inmediato. El pequeño E. scolopes es bioluminiscente, lo que le viene muy bien para salir de paseo por la noche y cazar sin ser cazado.

La bioluminiscencia es consecuencia de una relación simbiótica con la bacteria Vibrio fischeri. Una simbiosis entre distintos organismos puede ser patógena, comensal o mutualista. Entre este calamar y la bacteria V. fischeris se establece una simbiosis de tipo mutualista, puesto que la asociación entre los dos organismos supone un beneficio para ambos. E. scolopes se sirve de la bioluminiscencia para permanecer oculto de sus depredadores por la noche, cuando él sale a buscar alimento, haciendo que su estela en el agua pase desapercibida; por su parte, las bacterias tienen a su disposición un montón de nutrientes en la superficie del calamar con los que atiborrarse a gusto sin tener que ‘salir de casa’ a por la cena.

La bioluminiscencia de este encantador animalito depende de la cantidad de bacterias que colonizan su órgano de luz, formando lo que se conoce como biofilm o biopelícula. Es justo como suena: un biofilm es una agrupación de bacterias que se distribuyen sobre una superficie. Como el papel film que recubre un sándwich para que lo podamos guardar en la mochila hasta la hora del almuerzo.

Las bacterias que conforman este biofilm se comunican entre sí mediante un proceso denominado ‘quorum sensing’, según el cual producen moléculas que afectan a los procesos de todas las integrantes. Mediante esta especie de servicio de whatsapp, las bacterias se informan unas a otras de las decisiones que tienen que tomar como colectivo, lo que las convierte en casi, casi un organismo pluricelular. Entre los procesos que se regulan mediante ‘quorum sensing’ se encuentra la bioluminiscencia, que va a depender directamente de la cantidad de bacterias que formen la biopelícula. Es decir: a más bacterias, más bioluminiscencia.

Se ha planteado utilizar la bioluminiscencia de Vibrio fischeri y otros microorganismos para alumbrar o incluso con fines artísticos, pero vamos a conocer un biosensor que se aprovecha de la bioluminiscencia de esta bacteria para determinar si un río está contaminado o no.

Este biosensor está muy vivo

Un biosensor es un dispositivo que permite detectar y/o cuantificar una sustancia determinada, a la que se denomina analito en este contexto, o un parámetro. Esta definición no aporta mucho, pero, ¿y si os digo que un test de embarazo es un biosensor? En este caso, el parámetro a detectar es la hormona gonadotropina coriónica humana, que solamente se produce durante el embarazo. Las posibilidades a la hora de desarrollar un biosensor son casi infinitas, dependiendo del analito/parámetro que queramos detectar o medir.

El biosensor en el que nos vamos a centrar ha sido desarrollado por un biotecnólogo oscense, José Francisco Bergua, que, tras graduarse en la Universidad de Zaragoza, se trasladó al Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología para diseñar un sistema que permitiese detectar contaminación en los ríos utilizando las bacterias del calamar iridiscente Euprymna scolopes, bajo la supervisión de los doctores Merkoçi y Álvarez.

El funcionamiento de este dispositivo es muy sencillo (‘user friendly’, como se suele decir ahora) pero no por ello poco original. En primer lugar, se cultivan las bacterias para que la población aumente y, con ello, la bioluminiscencia que producen. Cuando se alcanza el punto óptimo de crecimiento, se pone en contacto a las bacterias con la muestra de agua que se desea analizar. Si la muestra está impoluta, las bacterias seguirán con su vida, y su bioluminiscencia, como si no hubiera pasado nada. Sin embargo, si la muestra contiene algún contaminante, su crecimiento se verá alterado. Comenzarán a morir y la población disminuirá. Debido al ‘quorum sensing’, la bioluminiscencia se reducirá, de modo que el usuario del biosensor podrá concluir que la muestra no está limpia. Por lo tanto, las propias bacterias son el biosensor en este caso.

Si esto fuera todo, se habría diseñado un biosensor cualitativo, es decir, solo permite determinar que existe algún contaminante que está matando a las bacterias, pero no proporcionar el grado de toxicidad de la muestra. Por eso, se ha dado con un método para convertirlo en un biosensor cuantitativo. Para ello, se ha desarrollado una app que detecta la luminiscencia del biosensor y la compara con un control positivo (agua con un grado de contaminación conocido) y uno negativo (agua sin ningún contaminante químico). Así, se obtiene un porcentaje de disminución de la bioluminiscencia, que se puede correlacionar con el grado de contaminación de la muestra. Fácil, sencillo y para toda la familia.

Con este biosensor, se pretende analizar el grado de toxicidad del agua de los ríos, que puede estar debida a, por ejemplo, el uso de pesticidas, y que se ha identificado como una grave amenaza tanto para la vida silvestre como para nuestra salud.

Los métodos de análisis con los que se cuenta en la actualidad son más sensibles, pero también más caros, lentos y requieren de instalaciones y personal especializados. Sistemas como este, baratos, rápidos y sencillos de usar, son necesarios para agilizar el proceso de análisis de muestras de agua, y así contribuir a una toma de decisiones más rápida y eficaz. Existen otros dispositivos muy específicos y sensibles que permiten detectar un único compuesto (por ejemplo, un pesticida en concreto) en una muestra de agua con gran precisión. Sin embargo, no es viable desarrollar un test de detección para cada uno de los posibles contaminantes que puedan estar presentes en las aguas. Por ello, un biosensor de toxicidad como el que hemos presentado aquí supone una ventaja, ya que proporciona información acerca de un parámetro más útil: la toxicidad de la muestra, como su propio nombre indica. No cabe duda acerca de lo necesario de cuantificar el grado de toxicidad de un río a nivel ecológico…

Luminiscente mar

La bioluminiscencia de Vibrio fischeri y otros microorganismos nos tiene fascinados desde que alguien miró una noche al mar y, para su enorme sorpresa, lo vio fosforescente. El 90% de los habitantes del océano profundo son bioluminiscentes, esto es, capaces de generar luz mediante una reacción química que tiene lugar en el interior de determinadas células de su organismo, que en muchos casos se concentran en órganos emisores de luz, los fotóforos. En los organismos oceánicos, la bioluminiscencia suele ser verde-azul, que corresponde a las longitudes de onda que mejor se transmiten por el agua.

Bacterias artistas y fuentes de bioluz

Entre los muchos usos que se han sugerido para aprovechar la bioluminiscencia de algunas bacterias, algunos expertos han planteado la posibilidad de utilizar a estas criaturillas para sustituir a las farolas en nuestras calles. Con lo cara que está la luz y resulta que la naturaleza nos la proporciona gratis, ¿cómo no dejar pasar esta oportunidad? Por no mencionar las implicaciones medioambientales que podría tener la bioluz (cómo nos gusta este prefijo a los científicos, se lo ponemos a todo lo que pillamos) debido a la contaminación asociada a la producción de energía eléctrica y a la propia contaminación lumínica. También al arte se le ha abierto la puerta a un mundo nuevo con esto de los microorganismos bioluminiscentes. La corriente artística denominada ’painting with bacteria’ (pintando con bacterias) permite crear cuadros y murales dotados que brillan en la oscuridad y que están, literalmente, vivos. Y pensábamos que la unión ciencia-arte había muerto con Leonardo da Vinci. Polímatas del siglo XIX.

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