Cómo un gel a base de mariscos podría monitorear aguas residuales y alimentos
Los sensores bioelectrónicos microbianos utilizan bacterias vivas que pueden generar una señal eléctrica en respuesta a la presencia de una sustancia objetivo, o analito.
Este tipo de sensores ofrece muchas ventajas sobre otros tipos de biosensores basados en proteínas y enzimas: las bacterias pueden realizar múltiples funciones, sobrevivir en diversos entornos e incluso crecer y regenerarse para un posible uso a largo plazo.
Sin embargo, la creación de dispositivos con bacterias vivas presenta varios desafíos. Los mediadores que utilizan algunas bacterias para enviar y recibir electrones, generando así la señal eléctrica, pueden ser arrastrados por los líquidos que los investigadores desean monitorear, como las aguas residuales. Además, algunos mediadores son tóxicos para los seres humanos o el medio ambiente.
Rafael Verduzco, investigador de la Universidad Rice, desarrolló un sensor bioelectrónico seguro que permite una comunicación electrónica eficaz incluso en entornos líquidos.
"Este sistema utiliza quitosano, un polímero natural presente en las duras conchas de los crustáceos. En nuestro sistema, el quitosano actúa como una especie de caparazón que impide que las bacterias escapen. Además, está modificado para tener puntos de anclaje a los que se puedan unir los mediadores, lo cual es fundamental para el transporte de electrones", explicó Verduzco, autor principal del artículo y profesor A.J. Hartsook de Ingeniería Química y Biomolecular.
"Este material ofrece una forma flexible de encapsular las bacterias y potenciar las señales electrónicas. Dado que se basa en un polímero renovable y de bajo coste, creemos que tiene un gran potencial para aplicaciones prácticas".
Imagen derecha: Esquema del hidrogel NQ-Chit que encapsula L. plantarum. Los grupos quinona del hidrogel NQ-Chit median el transporte de electrones desde L. plantarum hasta el electrodo. Al inmovilizar microorganismos y mediadores redox cerca del electrodo, el hidrogel NQ-Chit mejora el flujo de corriente, disminuye el impacto ambiental y permite su reutilización y biodetección. Crédito: Advanced Materials (2026). DOI: 10.1002/adma.202518817
Para llegar a este sistema, el estudiante de doctorado y primer autor, Xinyuan Zuo, tuvo la idea de desarrollar un hidrogel que atrapara las bacterias cerca del electrodo. Los hidrogeles son geles blandos y flexibles, elaborados a partir de una mezcla de sólidos porosos y permeables.
El hidrogel permite que el medio, con sus posibles analitos, fluya dentro y alrededor de las bacterias atrapadas sin liberarlas en el líquido. Sin embargo, los investigadores también necesitaban una forma de transportar electrones entre las bacterias y el electrodo.
"Nos dimos cuenta de que podíamos resolver ambos problemas utilizando un polímero redox-activo, que nos permitiría capturar eficazmente la señal eléctrica de las bacterias y transmitirla al electrodo", dijo Zuo.
Un polímero redox-activo, utilizado aquí como punto de anclaje para los mediadores, es un material capaz de aceptar electrones de otra fuente y, a su vez, transferirlos. Esta propiedad redox permite que los electrones fluyan a lo largo de los polímeros hasta alcanzar el electrodo, donde se interpretan como electricidad.
Los investigadores desarrollaron un polímero redox basado en quitosano, un biopolímero versátil que puede utilizarse para fabricar un hidrogel y que también puede modificarse para incorporar mediadores para el transporte de electrones.
Al unir estos mediadores redox y formar un hidrogel alrededor de las bacterias, produjeron un material electrónico biohíbrido vivo. Descubrieron que este hidrogel vivo podía generar una corriente eléctrica estable al colocarlo sobre un electrodo.
Los investigadores crearon un dispositivo que analizaba la leche para detectar la presencia de sakacina P, un antimicrobiano que se usa frecuentemente como conservante. Para generar la señal, utilizaron una versión modificada genéticamente de L. plantarum, una bacteria probiótica que se encuentra comúnmente en los productos lácteos fermentados, la cual producía una pequeña cantidad de electricidad al entrar en contacto con la sakacina P.
El hidrogel, con sus bacterias, se fijó a un electrodo y se introdujo en leche. Tras solo unas horas, el electrodo registró una señal eléctrica: las bacterias respondían a la presencia de sakacina P en la leche. Al igual que el polímero, L. plantarum es seguro para su uso en el medio ambiente y en alimentos, lo que abre un amplio abanico de aplicaciones. Además, el hidrogel puede utilizarse con otras bacterias.
"Existe una gran cantidad de bacterias electroactivas, por lo que hay un enorme potencial para este tipo de dispositivos microbianos vivos", dijo Verduzco.
"Este hidrogel proporciona una forma de comunicarse electrónicamente con estas bacterias, lo que permite la creación de dispositivos bioelectrónicos vivos que pueden utilizarse para la detección, la producción química o el aislamiento o la destrucción de sustancias químicas nocivas".
El estudio se publicó recientemente en la revista Advanced Materials: Quinone‐Grafted Chitosan Polymers Enhance Microbial Extracellular Electron Transfer for Living Bioelectronic Devices
