Tecnología de biosensores para la seguridad alimentaria

La tecnología de biosensores representa una barrera de vanguardia en el diagnóstico ambiental y biomédico y ocupa la primera línea en el sector agroalimentario.

La detección rápida de contaminantes biológicos y químicos es uno de los principales problemas en constante evolución que cuestionan la evaluación de la seguridad alimentaria. Los avances en ciencia de los materiales y nanotecnología, sistemas electromecánicos y de microfluidos, la ingeniería de proteínas y el diseño biomimético están impulsando la tecnología de detección desde el banco hasta el mercado.

Qué es un biosensor

Es un dispositivo analítico que se utiliza para la detección de un analito que combina un componente biológico con un detector fisicoquímico. El objetivo habitual de la tecnología es generar una señal electrónica digital proporcional a la concentración de un determinado analito o grupo de analitos.

Aplicación de biosensores para la supervisión de contaminantes alimentarios

• Pesticidas

Los pesticidas son un contaminante que se libera en grandes cantidades al medio ambiente. Como resultado, muchos países han establecido niveles máximos de residuos (LMR) en los productos alimenticios. Se han desarrollado diversas técnicas analíticas para la detección de plaguicidas con el fin de medir y controlar su presencia en alimentos y bebidas. Concretamente, el desarrollo de biosensores basados en la colinesterasa (ChE) es un enfoque popular empleado para la detección de contaminantes. La toxicidad de los pesticidas se debe a su capacidad para inhibir irreversiblemente una enzima clave de la transmisión nerviosa: la acetilcolinesterasa (AChE). Así, los investigadores han utilizado esta enzima para desarrollar métodos de biodetección. El principio del método implica la medición de la actividad enzimática antes y después de la exposición a la muestra contaminada; de esta forma, se atribuye una disminución de la respuesta enzimática a la presencia de estos plaguicidas en la muestra. Los biosensores electroquímicos basados en ChE son los más desarrollados. El acoplamiento de nanomateriales con sensores miniaturizados puede mejorar la sensibilidad del biosensor.

• Herbicidas

Entre los plaguicidas, los herbicidas representan los contaminantes más comunes en las aguas superficiales y subterráneas, y sus límites de concentración son de 0,1 μg/l para cada contaminante y de 0,5 μg/l para el total de plaguicidas. Estos límites tan bajos requieren técnicas analíticas altamente sensibles, como la tecnología de biosensores, para una preselección fácil, rápida y económica. Diversos autores han reseñado ejemplos de sistemas de detección para revelar herbicidas, como el sensor de quimio fluorescente de impresión molecular, la espectrometría Raman de superficie mejorada y el inmunoensayo de quimioluminiscencia.

Un requisito fundamental del control de herbicidas es la versatilidad, en términos de apoyo a la detección de analitos múltiples de un amplio espectro de clases de compuestos. Se han logrado avances en la tecnología de biosensores para ampliar la gama de elementos de reconocimiento y la medición de un número significativo de clases diferentes de contaminantes, mediante el diseño de nuevos organismos/proteínas con diferentes afinidades hacia los herbicidas. En este contexto, los biosensores que emplean organismos fotosintéticos representan los sistemas analíticos más explotados para el seguimiento de herbicidas.

• Toxinas

Las toxinas son un grupo heterogéneo de compuestos capaces de interferir con procesos bioquímicos, como la función de la membrana, el transporte de iones, la liberación de transmisores y la síntesis de macromoléculas. La exposición humana a las toxinas puede ocasionar problemas graves de salud, incluida la inmunosupresión y la carcinogénesis. Distintas autoridades reguladoras han decretado niveles máximos de residuos de varias micotoxinas y fitotoxinas en los alimentos y el agua. Entre ellas, la Organización Mundial de la Salud ha establecido un contenido tolerable de varias toxinas en los alimentos. Como ejemplo, se estableció una ingesta semanal tolerable de 7 ppb de peso corporal para la patulina. El contenido de patulina en los alimentos se ha limitado a 50 ppb en muchos países: la Unión Europea ha establecido un límite de 10 ppb en los alimentos infantiles, pero el objetivo es alcanzar 25 ppb de patulina en los productos que contienen manzana (Comisión Europea. CE n° 1425/2003; Bruselas, Bélgica, 2003).

Por este motivo, la detección inmediata puede resultar crucial para evitar la entrada de toxinas en los productos alimenticios comerciales. Las fusiones de genes reporteros permitieron la creación de biosensores basados en células completas como sistemas de detección de alerta temprana. Normalmente, un gen reportero bioluminiscente, fluorescente o quimioluminiscente se sitúa bajo el control de un promotor inducible que responde a una multiplicidad de sustancias químicas tóxicas y se utiliza para indicar la aparición de contaminantes ambientales. De esta forma, las células recombinantes expuestas a sustancias tóxicas pueden modular la activación o la inhibición de la producción de una proteína indicadora específica, lo que conduce a una respuesta general no específica a la presencia o ausencia de toxinas.

Distintos tipos de toxinas pueden afectar a diferentes tipos de alimentos (por ejemplo, entre las micotoxinas, la ocratoxina A puede encontrarse en las uvas y el vino, la patulinina en la manzana, la aflatoxina B1 en el maíz y la cebada, y la aflatoxina M1 en la leche). En este contexto, los sistemas de biodetección para la detección de toxinas en los alimentos cobran una gran importancia.

• Metales pesados

La supervisión de la presencia de metales pesados en el agua, los alimentos y el medio ambiente es una tarea crucial debido a la alta toxicidad de los metales pesados, sus crecientes niveles ambientales y su capacidad para bioacumularse en organismos vivos. Las técnicas analíticas habituales, como la cromatografía iónica, el plasma acoplado inductivamente, la polarografía y los electrodos selectivos de iones, no pueden distinguir entre fracciones de metales potencialmente peligrosas y no peligrosas en sistemas biológicos. Se han logrado avances recientes mediante el empleo de biosensores basados en células completas capaces de detectar la toxicidad general y metales tóxicos específicos, gracias a su capacidad para reaccionar solo ante la fracción peligrosa de iones metálicos.

En resumen

El mercado mundial de análisis de alimentos precisa métodos fiables y económicos para evaluar la seguridad alimentaria. Los biosensores ofrecen la oportunidad de satisfacer esta demanda, dado que son el candidato idóneo para mejorar el diagnóstico alimentario en términos de control de calidad y ensayo de componentes modificados genéticamente, autenticidad y trazabilidad, frescura y presencia de contaminantes.

Se han construido y ensamblado diversos biosensores para numerosos compuestos objeto de interés agroalimentario y medioambiental, desde componentes alimentarios hasta contaminantes del agua, gracias a sus innegables ventajas. Los biosensores podrían considerarse una tecnología de vanguardia y representan una posible alternativa a los métodos analíticos convencionales, como la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC), la cromatografía de gases (GC) y la espectrometría de masas (MS), representando probablemente una de las formas más prometedoras de resolver problemas fácilmente.

Para obtener más información sobre la tecnología de biodetección para la seguridad alimentaria sostenible, consulte el artículo de Scognamiglioa y otros (2014) aquí.