La Sira Mogas encara no ha acabat la seva tesi doctoral i ja figura com a primera autora d’una publicació a la revista Nature Communications gràcies al projecte que ha encapçalat: dispositius cel·lulars impresos en paper.
I és que, des del laboratori de Biologia Sintètica per Aplicacions Biomèdiques del Departament de Ciències Experimentals i de la Salut, Universitat Pompeu Fabra (DCEXS-UPF), l’equip dirigit pel Javier Macía ha desenvolupat una tecnologia per poder imprimir de manera senzilla i econòmica uns potents dispositius que a simple vista no són més que una tira de paper.
Ens hem reunit amb la Sira i el Javier per parlar d’aquesta innovadora i prometedora tecnologia i intentar comprendre la complexa senzillesa que envolta el projecte.
Què són els dispositius cel·lulars? Per a què es poden utilitzar?
Són dispositius vius, basats en una combinació de cèl·lules modificades genèticament, que poden detectar multitud de senyals, integrar-les i generar una resposta en base a unes regles preprogramades. Tenen un gran potencial d’aplicació, com per exemple per la detecció de malalties, el control de processos industrials o els anàlisis de patògens o contaminants, i des de fa anys hi ha molts grups d’investigació treballant en aquest camp.
Nosaltres hem desenvolupat una nova tecnologia per fer-los que ens permet que aquests dispositius siguin funcionals fora del laboratori, és a dir, que es puguin fer servir sense necessitat de cap tecnologia ni una persona experta en biologia molecular o biologia sintètica per fer-los funcionar.
“El nostre objectiu era trobar la manera de crear dispositius cel·lulars complexos que es poguessin fer servir fora del laboratori de manera senzilla, com per exemple amb una tira de paper”
Sira Mogas (DCEXS-UPF), primera autora de l’estudi
Així, hem trobat la manera d’imprimir sobre paper (tot i que es podria fer sobre altres superfícies com teixits) els nostres dispositius cel·lulars, fent que siguin fàcilment transportables fora del laboratori per una futura aplicació.
Quins avantatges presenten aquests sensors ‘vius’ respecte a d’altres sensors electrònics o bioquímics?
Amb dispositius electrònics o bioquímics es poden analitzar paràmetres com el pH o la temperatura, però la detecció de marcadors cel·lulars o de microorganismes és molt més complexa. Així, amb els dispositius vius, podem decidir les molècules d’interès i aprofitar els mecanismes de detecció propis de les cèl·lules per fer-ho.
A més, aquests dispositius tenen l’avantatge de poder programar una resposta en funció de la combinació dels factors analitzats, és a dir, que no només detecten la presencia o absència d’un marcador, sinó que es podrien programar respostes diferents en funció de la quantitat de senyal detectada, entre d’altres. Hipotèticament, per exemple, es podria fer un dispositiu cel·lular sobre una bena, de manera que en posar-la sobre una ferida fos capaç de canviar de color quan els marcadors d’infecció arribessin a un llindar concret.
Com és el disseny d’aquests dispositius i el procés d’impressió que heu desenvolupat?
El disseny dels dispositius va lligat a cada aplicació de manera que en primer lloc, al laboratori, s’han de generar les cèl·lules que detectin el marcador desitjat.
Una vegada fet això s’ha de configurar l’ordre i la combinatòria de les cèl·lules, ja que aquest ordre determina la resposta final que volem obtenir. Aquests dispositius tenen un circuit de cèl·lules que es comuniquen entre elles; reben una senyal biològica, la modulen i emeten una resposta. En funció del tipus de modulació que faci cada cèl·lula (amplificar la senyal o anul·lar-la, per exemple) i en quin punt del circuit la faci, condicionarà la senyal rebuda per la següent cèl·lula i per tant el resultat final.
Per entendre-ho millor, és com si tinguéssim una canonada amb tres aixetes i tres piques: la combinació d’aixetes obertes o tancades determinarà en quina pica caurà l’aigua i combinant les diferents aixetes obtindríem resultats diferents. Aquests dispositius, basats en els principis de la computació i l’electrònica, funcionen de manera similar i podríem arribar a obtenir respostes molt complexes.
La tecnologia que hem desenvolupat ens permet, un cop dissenyat aquest dispositiu, imprimir-lo sobre paper amb unes “tintes” que contenen cèl·lules i replicar-lo moltes vegades. Es disposen les cèl·lules en el motlle, es mullen en el medi i s’estampen a sobre d’una tira de paper, que esdevé, doncs, un dispositiu cel·lular.
Així, una vegada dissenyat el dispositiu, es podria automatitzar el sistema d’estampació (com si fos un procés de samarretes en sèrie) i escalar la producció a nivell industrial per generar una gran quantitat de dispositius cel·lulars a un preu low cost.
Quina aplicabilitat té aquesta tecnologia i quins serien els propers passos?
El ventall d’aplicacions és immens, ja que es podrien generar dispositius per detectar múltiples malalties o presència de contaminants, per exemple.
A més de ser fàcils d’utilitzar, produir i transportar, hem comprovat que aquests dispositius es podrien conservar a -80ºC de manera quasi indefinida sense afectar la seva utilitat, obrint un ventall de possibilitats d’ús encara més gran.
“Volíem fer dispositius on l’usuari final no hagués de ser necessàriament una persona amb una formació científica especialitzada i que el procés fos escalable a nivell industrial per tal de reduir els preus”
Javier Macía (DCEXS-UPF), líder de grup
Ara mateix estem en la segona fase del projecte, que és on buscarem aplicacions pràctiques, és a dir, que puguin arribar al mercat per convertir-se en productes d’interès. De moment, al laboratori hem fet unes tires detectores de mercuri, i a partir d’aquí, buscarem altres aplicacions.
En la part final de la meva tesi de doctorat, que és on s’engloba el projecte, volem crear una estructura empresarial, és a dir, crear una empresa spin-off del projecte que es dediqui a aplicar la tecnologia que hem desenvolupat a diferents nínxols de mercat en funció de les necessitats de la indústria.
Mogas-Díez, S., Gonzalez-Flo, E. & Macía, J. 2D printed multicellular devices performing digital and analogue computation. Nat Commun 12, 1679 (2021).
