Protocolo Experimental para la detección de<em> Las cianobacterias</em> En muestras líquidas y sólidas con un chip de microarray de anticuerpos

La detección y el seguimiento de los microorganismos en las comunidades microbianas naturales complejos son cruciales en muchos campos, incluyendo la biomedicina, la ecología del medio ambiente, y la astrobiología. Las cianobacterias son microorganismos procariotas bien conocidos por su capacidad para formar floraciones (proliferación excesiva de células) en agua dulce. Son ubicuos, y muchas especies son capaces de producir toxinas, lo que lleva no sólo a un riesgo potencial para la salud humana, sino también a un impacto ecológico. A este respecto, es esencial para desarrollar métodos rápidos y sensibles para la detección precoz de las cianobacterias y / o sus toxinas en el suelo y el agua. Para este propósito, un inmunoensayo de fluorescencia de microarrays sándwich múltiplex (FSMI) ha sido desarrollado como una herramienta para los gestores del agua para ayudar en la toma de decisiones y, en consecuencia, en la aplicación de programas adecuados de gestión del agua.

Una amplia gama de métodos ha sido desarrollada para detectar e identificar cianobacterial células y cyanotoxinas en suelo y agua, incluyendo la microscopía óptica, biología molecular y técnicas inmunológicas. Estos métodos pueden variar en gran medida en la información que proporcionan. Técnicas microscópicas se basan en la morfología celular y la detección de la fluorescencia in vivo a partir de pigmentos de cianobacterias, tales como ficocianina o clorofila a ^1. A pesar de que son métodos rápidos y baratos para tiempo real y monitoreo frecuente que informan sobre el tipo y número de cianobacterias presentes en una muestra, que no dan información sobre la toxicidad potencial. Además, requieren un cierto nivel de experiencia, teniendo en cuenta que a menudo es muy difícil distinguir entre especies estrechamente relacionadas ^2. Para superar estas limitaciones, la microscopía de luz debe ir acompañada de los dos ensayos de cribado bioquímicos y biológicos y métodos fisicoquímicos para identificar y cuantificar de cyanotoxinas.

<pclass = "jove_content"> ensayos de inmunoabsorción ligados a enzimas (ELISA), ensayos de inhibición de fosfato de la proteína (PPIA), y los ensayos neuroquímicos en ratones son ejemplos de ensayos de cribado bioquímico para la detección de cianotoxinas. Mientras que los dos primeros son metodologías rápidas y sensibles, los falsos positivos se han descrito cuando se utilizan pruebas de ELISA y PPIA se limitan a tres tipos de toxinas. El bioensayo en ratón es una técnica cualitativa con baja sensibilidad y precisión, y la concesión de licencias especiales y la formación que se requiere. Además, no da información sobre el tipo de toxinas presentes en una muestra. Cyanotoxinas pueden ser identificados y cuantificados por otros métodos de análisis, tales como la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC), espectrometría de cromatografía-masa líquida (LC-MS), cromatografía de gases (GC), cromatografía-espectrometría de masas de gases (GC-MS), o láser tiempo de desorción / ionización asistida por matriz de vuelo (MALDI-TOF). Sin embargo, esto sólo es posible si los estándares de referencia, que se necesitaned para determinar las concentraciones de toxina individuales en muestras complejas, están disponibles ^{3, 4.} Además, estos métodos requieren mucho tiempo; requieren costosos equipos, suministros y preparación de la muestra; y debe ser realizada por personal experimentado y especializado.

Métodos basados en moléculas se han aplicado durante décadas para detectar, identificar, cuantificar y cianobacterias y sus correspondientes cyanotoxinas gracias a la información de la secuencia publicada en las bases de datos del genoma (por ejemplo, el Centro Nacional de Información sobre Biotecnología, NCBI). Entre estos métodos son los basados ​​en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que requiere el diseño de conjuntos de cebadores para la amplificación de ADN y dependen de un conocimiento previo de las secuencias de ADN de diferentes especies de cianobacterias. Mientras que la detección de genes, como el operón ficocianina, conduce a la identificación exacta a nivel de género, algunas especies o cepas no son detectados coneste método. Sin embargo, los genes de toxinas de codificación, como los que pertenecen al operón microcistina, facilitar la identificación de toxinas en muestras en las que los productores son escasos ^5. Sin embargo, la detección de marcadores de toxina por PCR no implica necesariamente la toxicidad en el medio ambiente. Por otra parte, el conjunto de cebadores desarrollados para analizar toda la gama de especies de cianobacterias y productores de toxinas presentes en una muestra es aún incompleta, y otros estudios se debe hacer para identificar las especies desconocidas. Otras técnicas moleculares no están basadas en la PCR, tales como hibridación in situ fluorescente (FISH) y microarrays de ADN.

En las dos últimas décadas, la tecnología de microarrays ha ganado importancia en muchos campos de aplicación, en especial en el monitoreo ambiental. Microarrays de ADN permiten la discriminación entre las especies y los analitos ^{4, 6, 7} </^{sup>, 8, 9, 10,} pero se consideran muy laborioso y consume mucho tiempo tareas que implican múltiples etapas (por ejemplo, el rendimiento de microarrays, extracción de ADN, amplificación por PCR y de hibridación). Por esa razón, menos ensayos que requieren mucho tiempo sobre la base de anticuerpos, tales como sándwich y microarrays inmunológicos competitivos, se han convertido en un método de alto rendimiento esencial y fiable para la detección de múltiples analitos ambientales ^{11, 12, 13.} La capacidad de los anticuerpos para reconocer específicamente sus compuestos diana y para detectar pequeñas cantidades de analitos y proteínas, junto con la posibilidad de producir anticuerpos contra casi cualquier sustancia, hacen microarrays de anticuerpos una poderosa técnica para fines medioambientales. Además, la capacidad para conseguir múltiples análisis en tanensayo ingle, con límites de detección que van desde ppb a ppm, es una de las principales ventajas de este método ^14.

Biosensores basados en anticuerpos han demostrado ser herramientas sensibles y rápidos para la detección de una amplia gama de patógenos y toxinas en el monitoreo ambiental ^{15, 16, 17, 18, 19, 20, 21.} Si bien los métodos de ADN implican varios pasos, los microarrays basados ​​en anticuerpos sólo requieren una preparación de la muestra pequeño que se basa principalmente en una etapa de lisis corto en un tampón de solución adecuada. Delehanty y Ligler ¹⁵ informaron de la detección simultánea de las proteínas y los analitos en mezclas complejas bacterianas basado en un inmunoensayo sándwich de anticuerpo capaz de detectar una concentración de proteína de un 4 ppbd 10 ⁴ ufc / ml de células. Szkola et al. ²¹ han desarrollado un microarray múltiplex barato y fiable para la detección simultánea de proteotoxins y pequeñas toxinas, compuestos que podrían ser utilizados como armas biológicas. Se detectaron concentraciones de toxina ricina, con un límite de detección de 3 ppb, en menos de 20 min. Recientemente, el CYANOCHIP, un biosensor basado en microarrays de anticuerpos para la detección in situ de cianobacterias tóxicas y no tóxico, se ha descrito ^22. Este microarrays permite la identificación de los posibles floraciones de cianobacterias, sobre todo en los ambientes acuáticos, que son difíciles de identificar microscópicamente. El límite de detección de la micromatriz es 10 ² – 10 ³ células para la mayoría de las especies, convirtiendo este biosensor en un instrumento rentable para la detección múltiple y la identificación de las cianobacterias, incluso a nivel de especie. Todas estas propiedades hacen que el Antibotécnica de microarray dy, y en particular el método presentado en este trabajo, un método más rápido y más simple en comparación con las técnicas antes mencionadas.

Este trabajo presenta dos ejemplos de experimentos que usan un biosensor basado en microarrays de anticuerpos para detectar la presencia de cianobacterias en las muestras de suelo y agua. Es un método simple y fiable basado en un formato de inmunoensayo de tipo sándwich que requiere volúmenes de muestra muy pequeñas y preparación de la muestra muy básico. El método requiere un tiempo corto y se puede realizar fácilmente en el campo.