Biopilas: energía del ser vivo en marcapasos eternos o cultivos autovigilados

Usar energía de un mismo ser vivo para alimentar marcapasos con baterías inagotables o plantas que se vigilen a sí mismas y alerten de una situación de estrés hídrico o contaminación son algunas aplicaciones de las investigaciones que coordina el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE), alguna de ellas pionera en el mundo.

Gracias al desarrollo de biosensores, capaces de determinar la concentración concreta de cualquier molécula en un ser vivo, y de biopilas que usan la energía de la glucosa que contienen fluidos biológicos como la sangre o la saliva para alimentar dispositivos ponibles ("wearable"), se podrán crear aplicaciones que hoy parecen ciencia-ficción.

Con esta tecnología se podrán desarrollar, por ejemplo, un dispositivo que "libere" a los diabéticos de pincharse para controlar personalmente su nivel de azúcar o un parche que alerte sobre cuándo un deportista está a punto de sufrir una posible lesión, atendiendo a los niveles de lactato medidos en su propio sudor.

Como explica la responsable del proyecto BionSensCell, Laura García Carmona, el ITE, que forma parte de la Red de Institutos Tecnológicos de la Comunidad Valenciana (Redit), trabaja en la elaboración de bioelectrodos para la fabricación de estos biosensores y biopilas a partir de membranas realizadas con "carbone black" que ofrecen una triple ventaja.

En concreto, estas membranas son flexibles, pudiendo acoplarse con comodidad al cuerpo humano; biocompatibles, para evitar que el organismo las rechace, y poseen una alta conductividad eléctrica, necesaria para el proceso de aprovechamiento de la energía.

Estas membranas utilizan enzimas para localizar una molécula determinada de interés que sirva como marcador para el sensor o de fuel para la biopila (ya sea glucosa, lactato o cualquier otra, según su finalidad). Una vez se han localizado, esta tecnología rompe la molécula y se extrae la energía de ella para usarla en la propia alimentación energética del sensor.

INVESTIGACIÓN PIONERA EN EL MUNDO

BioSensCell, que ha recibido financiación del Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (Ivace), ha servido como base para otra investigación de biosensores autoalimentados, WatchPlant, un proyecto de monitorización de plantas donde el ITE coordina un consorcio de ocho socios de toda Europa.

Esta investigación en nuevas fuentes de energía "nace de las capacidades que hemos adquirido gracias al proyecto BioSensCell, financiado por el Ivace, destaca García Carmona, que señala la importancia de la financiación de ámbito autonómico como la que facilita este instituto dependiente de la Conselleria de Economía: La adquisición de conocimientos con un proyecto regional nos ha permitido acceder a la financiación europea obteniendo la máxima calificación posible para llevar a cabo un proyecto absolutamente disruptivo.

Este proyecto que coordina el ITE y del que forman parte socios de primer nivel mundial españoles, suecos, alemanes, croatas y polacos como el Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), KTH, Cybertronica, la Universidad de Lübeck, la Universidad de Zagreb y CIM-mes, ha recibido 3,7 millones de euros de financiación comunitaria del programa Horizonte 2020 para poner en marcha una investigación pionera en el mundo sobre el análisis de la savia elaborada de las plantas.

Acceder a la savia elaborada, no a la savia bruta, nos permite hacer una especie de análisis de sangre de la planta, detalla García, que explica que la idea del proyecto es que, "con la ayuda de la inteligencia artificial, las plantas se conviertan en sensores de su propio estado y del estado del entorno, de modo que puedan alertar sobre la necesidad de agua, pero también sobre la calidad del aire en espacios urbanos.

Esto permitiría, por ejemplo, controlar el nivel de contaminación atmosférica de las ciudades o reducir los daños por plagas en el campo.

APLICACIONES CASI INFINITAS

Como señala Laura García, este mismo tipo de análisis con biosensores y biopilas a partir de moléculas determinadas tiene múltiples aplicaciones en el campo de la medicina, donde puede usarse, por ejemplo, para desarrollar una biopila que no se degrade y que, en el caso de los marcapasos, evite que el usuario no tenga que someterse a una intervención cada cierto tiempo para cambiar la batería.

La tendencia es que los biosensores estén integrados en la vida diaria de las personas, reducir al máximo la toma de muestras y que se puedan hacer análisis descentralizados, asegura para añadir que los nuevos sensores ponibles buscan que el usuario tenga que intervenir lo mínimo posible.

Así, los diabéticos, por ejemplo, podrán prácticamente olvidarse de ejercer ellos mismos el control de su enfermedad y que sea el mismo dispositivo quien envíe un mensaje a su móvil "o a su médico" cuando se altere algún parámetro, un sistema que también podría usarse para la monitorización o evaluación de otras enfermedades, como el cáncer, siempre en función de la molécula que se utilice como marcador.

En el campo del deporte, asimismo, permitirá monitorizar el rendimiento de los deportistas a partir de la medición de sus niveles de lactato, un compuesto químico que refleja el nivel de estrés o fatiga muscular y cuya presencia puede apuntar a que se puede producir una lesión.

En este caso, los sensores podrían ir incorporados a una prenda deportiva o adherirse a la propia piel del deportista mediante parches de usar y tirar.

La investigadora subraya la importancia de estos sensores alimentados por una fuente de energía radicalmente nueva, las biopilas, aunque todavía tienen por delante retos importantes para su salida a la industria, como conseguir que generen una mayor cantidad de energía o la necesidad de estabilizar las enzimas para su uso en diferentes condiciones, porque "no opera igual una enzima en una célula que en un parche colocado en un brazo humano.

Sin embargo, García Carmona se muestra segura de que, una vez lanzada al mercado, en un plazo de cinco a diez años, esta tecnología de biopilas será económicamente rentable, ya que la membrana es de bajo coste y el proceso de síntesis es sencillo e inmediato, y señala como ejemplo de una tecnología similar de coste no muy elevado los test de antígenos para detectar el coronavirus.

Las aplicaciones, concluye, son prácticamente infinitas para unos dispositivos que utilizan como base un material que no hay que adquirir porque se encuentra dentro de nuestros cuerpos.