En 2020, mientras científicos de todo el mundo se apresuraban a comprender la COVID-19, el profesor Roy Bar-Ziv y su equipo del Instituto de Ciencias Weizmann comenzaron a desarrollar un chip de ADN que no solo podría mostrar rápidamente cómo responde nuestro sistema inmunológico a este coronavirus, sino que también abriría nuevas posibilidades para responder rápidamente a futuros brotes virales.
El biochip acelular, genéticamente programado y descrito recientemente en Nature Nanotechnology, puede sintetizar, mapear y analizar proteínas rápidamente, lo que permite determinar cómo interactúan los anticuerpos con los virus. Proporciona datos con mayor rapidez que los métodos convencionales y revela a qué fragmentos virales se dirigen los anticuerpos y con qué intensidad se unen a ellos.
“Durante la pandemia, nos dimos cuenta de que las herramientas desarrolladas por nuestro laboratorio podrían reutilizarse para explorar virus y volverse inmediatamente relevantes”, dice Bar-Ziv.
Estudiar cómo reacciona el sistema inmunitario a un virus es una tarea más compleja que una prueba diagnóstica rápida que revele si una persona está infectada con ese virus o no. Para comprender qué anticuerpos reconocen un virus y con qué fuerza se unen a él, los investigadores suelen producir cada proteína viral por separado, purificarla y luego analizarla con anticuerpos, un proceso que puede tardar días o incluso semanas.
Algunos laboratorios utilizan canales de fluidos en miniatura que aceleran las pruebas, pero estas configuraciones son complejas y requieren bombas y tubos precisos.
El biochip creado por el equipo de Bar-Ziv ofrece una forma mucho más sencilla de realizar las pruebas. El método no requiere bombas ni tubos y se adapta rápidamente a un nuevo virus.
El uso del biochip no requiere proteínas prefabricadas; estas son sintetizadas por el chip directamente en su propia superficie de silicio. Cada sección del chip contiene una pequeña porción de ADN impreso que contiene las instrucciones genéticas para una proteína viral específica o un fragmento de proteína, como las pertenecientes a diversas variantes del coronavirus, incluyendo las diversas versiones de su espícula externa y su capa interna.
Cuando los investigadores añaden una mezcla acelular de las moléculas biológicas que se encuentran típicamente dentro de las células, ese ADN se traduce directamente en la proteína correspondiente.
Cada biochip puede producir de 30 a 40 proteínas o fragmentos virales. Utiliza aproximadamente un microlitro de suero (menos de una gota) para revelar la huella inmunitaria de un individuo en docenas de dianas virales o antígenos. Dado que cada antígeno aparece en una posición diferente del chip, el equipo puede medir por separado la cantidad de anticuerpos que se unen a cada uno.
“No necesitamos cultivar ni purificar nada con antelación; cada punto del chip produce su propia proteína o fragmento de proteína”, afirma Dupin. “Con docenas de estos antígenos en el mismo chip, podemos analizar muchos de ellos a la vez, en un solo experimento, en lugar de realizar pruebas separadas para cada uno”.
A partir de las interacciones entre estas proteínas y los anticuerpos, los investigadores pueden determinar la fuerza de unión, o afinidad, es decir, la firmeza con la que un anticuerpo se adhiere a su diana. Una unión más fuerte suele implicar una defensa inmunitaria más eficaz. “Medir la fuerza con la que cada anticuerpo se une a su diana nos proporciona resultados cuantificables en lugar de una simple respuesta afirmativa", explica Vonshak.
El equipo utilizó esta configuración para evaluar las interacciones entre las proteínas de la COVID-19 y los anticuerpos humanos contra el virus. “Observamos firmas inmunitarias muy singulares en cada persona”, afirmó Bar-Ziv. “Algunas personas tenían anticuerpos contra la variante original de Wuhan, pero no contra las variantes Delta u Ómicron. Dado que el chip nos ayuda a comprender en profundidad las respuestas de diferentes personas al virus, también podemos determinar si los cambios en una nueva variante podrían reducir la eficacia de sus anticuerpos".
Para demostrar el potencial del chip, el equipo recreó la interacción entre la proteína de la espiga del coronavirus y su receptor humano, ACE2, el paso que permite al virus entrar en las células humanas. Tanto la proteína de la espiga como el receptor se produjeron en el chip y se unieron específicamente entre sí. Esto sugiere que la plataforma podría utilizarse para evaluar posibles terapias directamente en el chip mediante la adición de anticuerpos u otros fármacos candidatos que bloquearían dicha unión.
Todas las interacciones entre un anticuerpo determinado y un antígeno se prueban en el biochip dentro de un único compartimento en miniatura de menos de 1 milímetro de largo, 200 micrones de ancho y 10 micrones de profundidad.
