BIOTSENS: Sensores y biosensores nanoestructurados para la detección de patógenos viables y compuestos volátiles en aire, agua y superficies

El proyecto BiOTsens, que ITENE lleva a cabo con el respaldo del IVACE a través de los fondos FEDER, tiene por objetivo la formulación y el prototipado de nuevas soluciones basadas en biosensores y nanoestructuras para la detección temprana de patógenos y compuestos orgánicos volátiles (COVs) en matrices de muestreo de interés en sectores de relevancia en la Comunitat Valenciana.

Contexto

La seguridad alimentaria tiene un gran impacto en toda la cadena de valor de la industria, por lo que su gestión y control resultan clave para ayudar a prevenir, detectar y gestionar los riesgos transmitidos por los alimentos, contribuyendo a garantizar la salud humana. Entre otras bacterias, la Echerichia coli (E.coli) causa infecciones que pueden generar enfermedades relacionadas con los alimentos, que, según la Organización Mundial de la Salud, provocan 2,2 millones de muertes al año. Asimismo, frente a otras bacterias que pueden ocasionar enfermedades de transmisión alimentaria, la Listeria monocytogenes puede sobrevivir y multiplicarse en bajas temperaturas como las registradas en refrigeradores. Esta bacteria puede provocar la Listeriosis, que supone un mayor riesgo para mujeres embarazadas, personas de edad avanzada y pacientes con sistemas inmunitarios debilitados.

Por otra parte, las enfermedades de origen ambiental, como la legionelosis, causada por bacterias del género Legionela, representan otro reto para garantizar la salud de las personas. De hecho, en 2019, se notificaron más de 100.000 casos en la Unión Europea (UE), siendo España uno de los países con un mayor número de casos. Además, se estima que el gasto sanitario derivado de la enfermedad alcanza los 165 millones de euros anualmente en la UE.

Para garantizar la salud humana y prevenir impactos económicos derivados de una afectación a la reputación de una empresa, resulta esencial disponer de herramientas sensibles, eficaces y rápidas para el control de patógenos en los sectores agrícola y alimentario.

Asimismo, las infecciones causadas por gérmenes presentes en el ambiente, como los hongos, han adquirido una gran relevancia en las dos últimas décadas y cada vez son más numerosas en ambientes hospitalarios. Estas patologías son más habituales y problemáticas en personas inmunocomprometidas y presentan un mecanismo de transmisión íntimamente ligado a los sistemas de ingeniería hospitalaria, como son los aires acondicionados o los sistemas de abastecimiento de agua potable. Por ello, la detección temprana de gérmenes en la ambiente resulta clave en la prevención de estas enfermedades. Entre distintos tipos de hongos se encuentran los del género Aspergillus, que son comunes en interiores y exteriores y pueden causar aspergilosis a personas que respiran sus esporas y presentan enfermedades pulmonares o sistemas inmunitarios debilitados.

Adicionalmente, la OMS estima que cada año fallecen 7 millones de personas en todo el mundo debido a enfermedades relacionadas con la contaminación del aire, a la que está expuesta la mayor parte de la población. Entre los contaminantes que pueden estar presentes en la atmósfera se encuentran los COV (compuestos orgánicos volátiles), que pueden afectar de forma grave a la salud por su inhalación y se encuentran presentes en múltiples sectores industriales. Disponer de sensores para monitorizar la presencia de compuestos que puedan afectar a la salud y la calidad del aire resulta esencial para preservarla y cumplir la normativa aplicable a determinadas industrias.

Resumen y objetivos

BiOTsens es un proyecto de investigación y desarrollo de nuevas soluciones tecnológicas para la detección, monitorización e identificación de patógenos y contaminantes con efectos graves sobre la salud humana, incluyendo el control de bacterias de E.coli, Legionela, y Listeria, y la detección en centros hospitalarios de esporas de hongos como Aspergillus. Además, aborda la detección de COV para permitir un control de las emisiones de compuestos que representan graves riesgos para la salud humana y pueden encontrarse en entornos de trabajo.

En concreto, el proyecto se centrará en el análisis y el desarrollo de sistemas de detección de patógenos basados en tecnologías de biodetección, así como de nuevos sistemas nanoestructurados para la detección rápida, específica y a bajo coste de COV.

Para ello, se han definido dos líneas concretas de trabajo que dan continuidad a las investigaciones iniciadas por ITENE en las áreas de nanotecnología, bioanálisis y biodetección, y monitorización ambiental. Estas líneas tecnológicas, relacionadas entre sí, son las siguientes:

• Desarrollo de biosensores para la detección de hongos filamentosos, Listeria, E.coli y Legionela.

En el marco del proyecto, se investigarán nuevas plataformas de biosensado para identificar cepas de hongos filamentosos en el ambiente, métodos innovadores de biodetección para la diferenciación de bacterias viables y no viables de los géneros Listeria y E. coli en superficies relevantes para el sector agroalimentario y sistemas de detección en tiempo real de Legionela presente en aerosoles generados por sistemas de agua artificiales.

Los objetivos específicos de esta línea de trabajo comprenden:

• Una nueva plataforma de biosensado basada en técnicas de transducción electroquímica y/o óptica de alta sensibilidad y selectividad para la detección de hongos filamentosos del género Aspergillus en bioaerosoles recogidos de muestras de ambientes interiores, , e integrable con sistemas de bioconcentración.
• Un kit de muestreo basado en biosensores electroquímicos y/o colorimétricos, para la detección sensible y selectiva de la presencia de bacterias de los géneros Listeria y coli en superficies relevantes en el sector alimentario.
• Un sistema prototipo para el muestreo ‘in situ’ de Legionela en agua procedente de instalaciones de riesgo basado en la integración y automatización de sistemas de captación, pretratamiento y ultrafiltración de muestras.
• Nuevos protocolos experimentales para la biodetección de Legionela en concentraciones superiores a 10⁴ UFC (unidades formadoras de colonias)/ml, basados en técnicas electroquímicas, colorimétricas o espectroscópicas.

• Desarrollo de microsensores para la detección y el muestreo de COV (compuestos orgánicos volátiles) específicos.

Se obtendrán microsensores de bajo coste e integrables con sistemas de monitorización de gases y partículas nuevos sistemas sensóricos para la detección y el muestreo de COV, compuestos que pueden provocar efectos graves sobre la salud por su inhalación y se encuentran presentes en multitud de sectores industriales. Estarán basados en el empleo de sensores químico-resistivos desarrollados a partir de nanoestructuras de óxidos metálicos y nanomateriales de carbono. En concreto, los trabajos se orientarán a:

• Un prototipo de sensor resistivo nanoestructurado de bajo consumo y bajos tiempos de respuesta y recuperación para la detección en aire de xileno, benzeno y tolueno, compuestos presentes en sustancias de uso industrial y doméstico. Se basará en la deposición de composites de diferentes óxidos metálicos dopados con nanomateriales de carbono sobre sustratos de alúmina.
• Caracterización de la sensibilidad de los sensores resistivos desarrollados en unas condiciones de concentración de analitos, temperatura y humedades determinadas e integrando una celda de medida, un módulo electrónico y un sistema de mezcla de gases.
• Prototipo de un sistema microelectromecánico (MEMS) capaz de albergar una estructura de datos con elementos homogéneos (array) de sensores.