Biosensores e Inteligencias Artificiales: el inicio de una revolución tecnológica

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Luis Enrique Martínez Brito. Ingeniero en biotecnología.

Biosensores e Inteligencias Artificiales: el inicio de una revolución tecnológica

23/9/2024
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El mercado de los biosensores aumenta año con año desde la década de los 1960 debido a la demanda de análisis de precisión y selectividad sustituyendo a los métodos organolépticos. Los biosensores han facilitado la detección de enfermedades o condiciones de riesgo siendo accesibles y eficientes. Sin embargo la función de estas herramientas se limitaba a dar información y no de traducir o analizar pero con ayuda de las inteligencias artificiales podría cambiar.

En la antigüedad el ser humano ha utilizado sus sentidos y observado comportamientos de animales para predecir riesgos y obtener recursos que mejoren sus posibilidades de supervivencia, desde el antiguo Egipto que intuía enfermedades al ver la afinidad de animales e insectos por la orina de ciertas personas (un diagnóstico primitivo de diabetes) hasta los métodos actuales de producción de biosensores donde el componente biológico puede llegar a tener unos cuantos nanómetros de longitud y tener una precisión superior a cualquier percepción organoléptica de un catador profesional en el caso de la industria alimentaria.

El desarrollo de métodos electro analíticos como la polarografía derivado de la voltamperometría creada en 1922 por el Premio Nobel de Química Jaroslav Heyrovský  permitió que los trabajos de química analítica se centraran en observar las interacciones de electrodos con moléculas, eventualmente la llegada de los biosensores. Fue en 1952 que el bioquímico Leland C. Clark al trabajar en un artículo sobre el oxígeno en sangre necesitaba un método eficiente para medir el oxígeno creando un quimio sensor llamado "electrodo Clark" su invento basado en la polarografía detectaba el oxígeno en muestras sanguíneas sin la necesidad de tener grandes cantidades de muestra y sin consumir todo el oxígeno (lo que contrastaba con los métodos de análisis de la época) este éxito con un respectivo margen de mejora permitió que fuera más allá intuyendo que podía detectar reacciones de las proteínas al interactuar con el oxígeno presente y con el ello el nacimiento de la tecnología de los biosensores.

En 1962 Clark presentó su nuevo aporte cuando mezclo su electrodo con una membrana de glucosa oxidasa para medir la glucosa en sangre aprovechando la reacción catalítica de la enzima, el primer biosensor.

La finalidad de un sensor biológico es el ahorro de tiempo de análisis y la practicidad que ofrece en la obtención rápida de resultados. Los biosensores han tenido una enorme relevancia en la sociedad tanto que su uso es normalizado pero desconocido en el factor técnico como es el caso de las pruebas de embarazo y medidores de glucosa para una población cada vez más vulnerable a afecciones y patologías como la diabetes, obesidad y síndrome metabólico. Los biosensores tienen un amplio nicho de mercado en la población general, en la industria alimentaria y farmacéutica donde  sirven como medidas de prevención de enfermedades, control natal, control sanitario, medidores de calidad y prevención de riesgo para seres vivos. 

Un biosensor consiste en una parte de origen biológico y un componente electrónico que permite la codificación de la respuesta biológica a un mensaje digital. La parte biológica puede ser una proteína recombinante o un orgánulo de algún microorganismo que debe ser puesta a prueba y analizada bajo diferentes estímulos de temperatura, presión y sobre todo estímulos de cargas eléctricas que son los de mayor interés lo que llevará a una codificación digital directa, este proceso es una de las bases de la bioinformática.

Se pueden identificar a dos tipos de componentes biológicos por su naturaleza, los que catalizan o rompen alguna estructura molecular del analito y los de afinidad que se impregnan al analito e interactúan con él formando de manera breve nuevos compuestos, en ambos casos obteniendo una respuesta física medible, es necesario aclarar que para que sea optimo como biosensor no debe consumirse o debe ser muy ligero el desgaste para que cumpla su función.

Gracias a los tipos de respuestas del componente biológico se puede clasificar como biosensores ópticos, cambian de color con el contacto en la muestra; electroquímicos, que al interactuar generan una corriente eléctrica; los térmicos, que provocan una señal exotérmica en la mayoría de ocasiones aunque también podría ser endotérmica esta última siendo más teórica y otros tipos de señal más específicas pues hay gran variedad de señales por ser exploradas como es el caso del sonido o piezoeléctricos (detectan cambios con base a la respuesta a ultrasonidos), cambio de masa, viscosidad entre otros.

Los biosensores son la herramienta en la que el ser humano combina nuestro conocimiento tecnológico con las mecánicas biológicas, obteniendo uno de los avances más significativos para la química analítica, la medicina, la industria y la biotecnología en general.

Los seres vivos poseen una cantidad gigante de sensores que nos permiten percibir el mundo, lo que de manera simplificada llamamos "5 sentidos" número un tanto arbitrario pues los seres vivos poseemos muchos sensores que por sí solos podrían considerarse un sentido aparte, tema tan amplio que aún genera debate para la comunidad científica.  Los microorganismos evolucionaron conjuntamente para poder interactuar de mejor manera con el entorno lo que posiblemente los llevo a una evolución simbiótica que prioriza la comunicación, lo que explicaría los primeros orgánulos de los microorganismos y la tendencia de los seres vivos por la comunicación a base de vesículas. Sin embargo la evolución no solo consistió en el mejoramiento de los sensores sino también en la creación de las computadoras biológicas es decir los cerebros.

La codificación de información es tan o más importante que la detección, hoy en día estamos en la transición donde la inteligencia artificial cumple un papel protagónico en la dirección tecnológica mundial gracias al incremento de la capacidad de procesamiento en los equipos de cómputo lo que era impensable en los orígenes de la computación, las limitaciones técnicas solo permitían imaginar su potencial en la década de 1960 pero hoy es una realidad. Detrás de una inteligencia artificial actual hay bases de datos, mucho análisis de probabilidad, interpolación matemática para la inferencia de información y algoritmos matemáticos recursivos que cumplen una metodología de prueba y error pues es la forma en que entendemos el comportamiento de nuestro cerebro por ello buscamos replicarlo en la informática.

La inteligencia artificial eventualmente se combinará con la producción de biosensores y como la información que estos nos brinden terminarán en bases de datos de las inteligencias artificiales más avanzadas. Esta relación permitirá diagnósticos complejos similares a las de un humano aunque siendo superado en cantidad de información obtenida para el resultado, también permitiría la depuración de la metodología de investigación reduciendo los tiempos de análisis, reducir los costos del proceso, anticipar resultados y proponer soluciones.

La inteligencia artificial tiene potencial para la resolución de problemas de topología molecular y teoría de nudos ambas líneas de investigación importantes en la creación de medicamentos y proteínas recombinantes de diversos usos. Su capacidad de análisis permitiría en combinación con biosensores acelerar las investigaciones de biología molecular. La selectividad de los biosensores será clave para metodología de las inteligencias artificiales. La miniaturización es otro tema importante, tanto los biosensores como la disponibilidad de las inteligencias artificiales en dispositivos móviles integran una propuesta portátil y accesible para todos lo que volvería el concepto de “laboratorio de bolsillo” una realidad.      

Sin embargo estos avances suponen varios debates morales, sociales y filosóficos la desconfianza de la sociedad al avance tecnológico es un miedo interiorizado. Hablar de una tecnología que supere al ser humano genera un debate que lleva décadas con tópicos recurrentes como es la pérdida de empleos, el uso bélico, el control social y económico. Sin embargo las inteligencias artificiales están sujetas a la limitación de la compresión humana del entorno incluso si los biosensores funcionaran como los súper sentidos de las "IA" la línea de pensamiento no se distanciaría demasiado de algún humano en el futuro es decir las "IA" solo adelantarían resultados que un humano o humanos podrían obtener deducción completamente abierta a debate.

Conclusiones
Tecnologías como los biosensores y los sistemas de inteligencia artificial son herramientas que marcan la dirección tecnológica mundial por su eficiencia, ahorro de costos, precisión y potencial. Si bien existe un miedo social al avance de estas tecnologías los beneficios que ofrecen las hacen inevitables, pues los diagnósticos médicos y prevención de enfermedades serían más sencillos con su implementación. También es necesario resaltar sus aportes a gran escala como acelerar las pruebas de medicamentos, vacunas y tener un control de riesgos biológicos evitando pandemias.

Referencias
Sergio García López, “Desarrollo De Biosensores Nanomecánicos Y Optoplasmódicos Para La Detección Ultra Sensible De Proteínas”, Universidad Autónoma de Madrid (2022)
Lourdes Patricia Castro Ortiz, Víctor Manuel Luna Pabello y Rafael Villalobos Pietrini, “Estado Del Arte Y Perspectivas Del Uso De Biosensores Ambientales En México”, Revista internacional de contaminación ambiental. (marzo, 2007)
Daniel Moreno, “Biosensores El Otro Legado De Clark”, PRINCIPIA  (9 de noviembre, 2014)
Guadalupe Fierro Corona, “Ponencia Sobre El Artículo: Artificial Intelligence Biosensors: Challenges And Prospecs” Benemérita Universidad de Puebla (10 de agosto, 2020)
Admin EVSA group, “Aplicaciones de inteligencia artificial (IA), Sensores Y Automatización en la industria” EVSA, (20 de marzo, 2023)

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