Laboratorio de Biosensores y Bioanálisis

Líneas de investigación

Estudios de celdas de combustible microbianas. Estudio de la colonización de electrodos, transferencia de carga, y desarrollo de biosensores.

Estudiamos tres tipos de celdas microbianas: celdas de combustible microbianas (MFC) utilizando cultivos puros de especies electrogénicas; celdas de combustible sedimentarias (SMFC) donde se utiliza las comunidades bacterianas nativas de los sedimentos utilizados, y celdas de combustible fotosintéticas (PMFC) basadas en el metabolismo fotosintético. Las SMFC permiten la producción de pequeñas cantidades de electricidad. Por otro lado, estos sistemas permiten conocer el estado metabólico, actividad y cantidad de bacterias en el suelo sumergido, por lo que son excelentes biosensores metabólicos. Utilizando cepas anaerobias/facultativas diseñamos MFC no-mediadas. Se utilizan como material biológico bacterias como Shewanella oneidensis, capaces de colonizar electrodos y transferir su carga a los mismos. Se está estudiando la capacidad de varias cepas de producir mediadores solubles, capaces de transferir electrones provenientes del metabolismo celular hasta la superficie de un electrodo. Nos proponemos utilizarlos como detectores de BOD y toxicidad en aguas naturales y/o aguas de desperdicio. Recientemente hemos incorporado el estudio de PMFC mediante sistemas de algas unicelulares y bacterias fotosintéticas, así como sistemas que basados en la utilización de plantas tales como Oryza sativa, Salicornia sp. y Spartina sp.

 

Desarrollo de equipos analíticos para diagnóstico veterinario, en especial mastitis.

Una de las líneas de investigación del LABB, consiste en el desarrollo de biosensores enzimáticos para la detección de lactato en leche, ya que se sabe que este parámetro es un indicador temprano del desarrollo de procesos patológicos en vacas de ordeñe, como por ejemplo la mastitis. La mastitis es la principal enfermedad que afecta a las vacas lecheras y ocasiona pérdidas en los tambos en un porcentaje promedio del 7% de la producción mundial de leche, lo que representa aproximadamente, para el volumen de leche producida en Argentina (unos 10.000 millones de litros al año). En respuesta a las pérdidas que ocasiona la mastitis, el presente proyecto tiene como objetivo la creación de una empresa (spin-off) denominada Intensive Farm Care Products (INFARM), cuya misión es diseñar y construir equipos analíticos para la detección de problemas sanitarios en bovinos y otros animales lecheros. De forma tal que el veterinario pueda fácilmente diagnosticar y tratar la mastitis con anticipación, evitando así parte de las pérdidas y convirtiéndolas en valores positivos en la producción del tambo. Relacionado a este proyecto, se está diseñando además software y hardware para que permita manejar eficientemente los rodeos vacunos, proyecto denominado Tambos de Alta Performance (TAP).

 

Biosensores para la detección de vida en otros planetas

En nuestro laboratorio hemos encontrado una nueva aplicación para las celdas de combustible microbianas o MFCs: su uso como sensores en la detección de procesos metabólicos de microorganismos extremófilos, es decir microorganismos capaces de soportar condiciones extremas en las cuales la mayoría de los microorganismos moriría.

Los extremófilos pueden tener cualquier tipo de metabolismo, nosotros hemos trabajado con heterótrofos o litóautotrofos; estos últimos utilizan sustratos inorgánicos con el fin de obtener energía, para su uso en la biosíntesis como la fijación de dióxido de carbono o la conservación de energía a través de la respiración aeróbica o anaeróbica. El desarrollo de MFCs usando los microorganismos extremófilos no solo es aplicable en nuestro planeta sino para la detección de vida en otros planetas que poseen una atmósfera distinta a la Tierra.

Estos dispositivos presentan algunas ventajas respecto de otros sistemas que han sido utilizados para detectar metabolismos microbianos como por ejemplo durante la Misión Viking, donde en los años ’70, se sensó vida en Marte. Además, estos sistemas de detección podrían mejorarse utilizando las capacidades de misiones móviles robotizadas. En este sentido se ha realizado un convenio con la CNAE, para el desarrollo de biosensores y su ensayo de capacidades en la Antártida. 

 

Diseño y aplicación de biosensores para el monitoreo de procesos biomineros.

El monitoreo en tiempo real de bioprocesos es importante e indispensable para la puesta en marcha, monitoreo y toma de decisiones efectivas para evitar pérdidas económicas. La solubilización de metales por microorganismos (biolixiviación) ocurre durante semanas, y necesita ser monitoreada para mejorar o mantener su eficiencia, ya que se encuentra influenciada por parámetros químicos y biológicos que necesitan ser regulados en sus condiciones óptimas. La investigación tiene como objetivo final el diseñar y aplicar biosensores para el monitoreo de procesos biomineros, el cual involucrará el desarrollo de biosensores amperométricos, potenciométricos, de impedancia y otros, que cumplan el objetivo deseado. Se desarrollarán sensores para la determinación de oxidación de hierro, sulfatos, recuperación de producto (cobre u otros metales), microorganismos activos y que posean la capacidad biolixiviante para diferentes tipos de minerales. Se estudiarán los parámetros que afectan a la respuesta del biosensor con el fin de optimizar el dispositivo analítico. Para ampliar el campo de aplicación de los biosensores construidos y poder determinar la respuesta real, se estudiará el comportamiento con muestras simuladas y reales. La investigación plantea el desarrollo de biosensores que tengan la capacidad de ser fácilmente automatizados para su utilización industrial. Además, se busca entender el proceso de biocorrosión, y diseñar sensores para su monitoreo.

 

Desarrollo de biosensores basados en aptámeros y ácidos nucleicos para sensar parámetros medioambientales y en salud.

Los aptámeros son ácidos nucleicos de cadena sencilla (ssADN o ARN) de entre 30-80 bases, elaborados por un sistema de selección denominado SELEX, capaces de adoptar conformaciones tridimensionales únicas que les permiten reconocer y unirse con gran afinidad y especificidad a casi cualquier tipo de diana, desde iones hasta células. A diferencia de otras sondas moleculares basadas en ácidos nucleicos, los aptámeros interaccionan y se unen a sus correspondientes dianas mediante un proceso de reconocimiento estructural, similar a la reacción antígeno-anticuerpo. Es por ello que a los aptámeros también se les conoce por el nombre de “anticuerpos químicos o artificiales”. 

Nuestro proyecto se focaliza en la elaboración de un sistema miniaturizado basado en una tecnología similar a la de los inmuno-biosensores, que puedan ser utilizados para la detección de microorganismos patógenos en agua y en alimentos. Ya que las enfermedades transmitidas por el agua siempre han sido importantes para la salud humana y animal, incluso hoy en día en los países subdesarrollados, se estima que 25.000 personas mueren diariamente a causa de enfermedades transmitidas por el agua contaminada. Los efectos de los microorganismos del agua pueden ser inmediatos y devastadores. Dichos biosensores basados en aptámeros se utilizarán para la determinación de bacterias como Salmonella sp., Escherichia coli, Lysteria monocytogenes, entre otras. Nuestro proyecto se encuadra en el Plan Argentina Innovadora 2020 del Plan Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación, en los Temas Estratégicos 20 y 21 (Manejo de Recursos Hídricos y Remediación Ambiental), del sector Ambiente y Desarrollo Sustentable.

 

Desarrollo de dispositivos analíticos basados en reacciones de amplificación de ADN o ARN.

La realización de este proyecto consiste en desarrollar, ensayar y validar componentes necesarios para el equipamiento que hemos denominado “PCR-plus”. Este equipamiento es necesario para que métodos moleculares (desarrollados por otros grupos de investigación) puedan convertirse en métodos PoC (Point of Care)/PoN (Point of Need) exitosos. Se propone desarrollar equipos (termociclador y/o termoblock, con detección) que permitan la realización de la técnica y al mismo tiempo determinen si la amplificación de los ácidos nucleicos fue exitosa o no. Este equipo se basa en el uso de cartuchos electroquímicos descartables desarrollados por este laboratorio, dando como resultado un equipamiento nacional de bajo costo, robusto para su uso en condiciones precarias, con la opción de ser operado con baterías, y que permita medir el resultado de la amplificación sin abrir el dispositivo que contiene la muestra para evitar contaminaciones. En particular, las bases de este proyecto se desarrollaron según la demanda de un grupo colaborador que desarrolla métodos de diagnóstico basados en amplificación tipo LAMP del ADN por ejemplo del Tripanosoma cruzi en el diagnóstico de la Enfermedad de Chagas en neonatos.

 

Desarrollo de nuevos materiales y estrategias para sistemas bioelectroquímicos con aplicaciones analíticas y de producción de energía

En nuestro laboratorio también atendemos la necesidad de crear nuevos materiales de bajo costo para que lleguen a todos los sectores de la sociedad y que a su vez sean amigables con el ambiente. Para eso llevamos a cabo la caracterización mediante técnicas fisicoquímicas y el uso de MFCs de celdas de electrólisis microbianas (CEM) de materiales y estrategias costo-efectivas para utilización en sistemas bioelectroquímicos en el desarrollo de dispositivos de biosensado y para la producción de energía. Los electrodos son fabricados a partir de una tinta conductora elaborada a base de nanotubos de carbón, quitosano y dodecilsulfato de sodio (NTC-CS-SDS), empleando como sustrato papel filtro Whatman® N°1. Por otro lado, las membranas son diseñadas utilizando alcohol de polivinilo y quitosano (PVA:CS). Como se puede observar todos estos materiales son accesibles, baratos y poco contaminantes.

 

Construcción y caracterización de electrodos de muy bajo costo para el tratamiento de barros generados en operaciones de tratamiento de efluentes líquidos

Estamos diseñando un sistema bioelectroquímico mediante la implementación de residuos carbonosos industriales o domésticos (hollín, fuente de carbono nano/micropartículado) como material para la construcción de electrodos. Estas partículas son resultantes de la combustión incompleta o pirólisis, y con un tratamiento y diseño adecuado se obtiene un material nano/microparticulado para la construcción de electrodos de bajo costo. Este material se utiliza como base para la creación de un sistema a escala piloto que permita el tratamiento de barros producidos por diversas operaciones industriales o por el tratamiento de aguas negras. Para ello, se utilizan celdas de combustible microbianas (MFC) acopladas a humedales artificiales (CW) donde la actividad microbiana descompone la materia orgánica. Sumado a esto, la asociación de estos microbios sobre los electrodos en una configuración adecuada permite la producción de hidrógeno o de electricidad de manera directa. 

Desarrollo de un sensor de parámetros bioeléctricos para monitorear la madurez del lombricompost domiciliario y su aplicación en mezclas con suelos rocosos y regolita lunar y marciana (muestras reales o simuladas).

La acumulación residuos sólidos urbanos (RSU) constituye un problema en las grandes y pequeñas ciudades ya que produce contaminación, desarrollo de vectores patógenos y una fuente importante de emanaciones de gases de efecto invernadero. Los desechos orgánicos provenientes de desperdicios de preparación de comidas y restos de poda u otras fuentes vegetales contienen compuestos de alta calidad que pueden ser aprovechados en forma de compost o de lombricompost. como fertilizantes orgánicos y/o como mejoradores de suelos rocosos. El proceso de lombricompostaje comprende varias etapas que dependen de los microorganismos dentro del intestino de las lombrices siendo la última etapa en la que se lleva a cabo maduración y la estabilidad la más prolongada y necesita ser monitoreada con seguridad para evitar agregar un material fitotóxico a los sustratos. Las propiedades bioeléctricas del lombricompost en el contexto de una celda de combustible han sido poco estudiadas hasta ahora ya que, dichos materiales orgánicos no son buenos generadores de bioelectricidad, pero constituyen una oportunidad para desarrollar un método basado en electrodos de carbón modificados para monitorear el cambio en las propiedades bioeléctricas durante el proceso de maduración de lombricompost domiciliario para ser aplicado como mezclas con sustratos rocosos y con regolita lunar.

 

Ecotoxicología y biorremediación

En nuestro laboratorio estudiamos las respuestas biológicas que pueden elaborar organismos expuestos a diversos contaminantes y mezclas, como así también a nanopartículas metálicas. Para eso, empleamos organismos reconocidos por las principales agencias ambientales internacionales como especies bioindicadoras, a fin de evaluar las distintas estrategias de biorremediación. Dado que la Ecotoxicología Ambiental es una ciencia interdisciplinaria y que está en estrecha relación con temas legales, interactuamos no sólo con otros grupos de investigación, sino que también brindamos asesoramiento a distintos organismos públicos y privados.