La creciente demanda mundial de alimentos de origen vegetal hace necesario el uso de pesticidas para proteger los cultivos de las plagas y garantizar el rendimiento de las cosechas. Sin embargo, existe una gran desventaja: el uso generalizado de pesticidas ha provocado una reducción considerable de las poblaciones de insectos en el pasado.
por Karoline Stürmer, Universidad de Ratisbona
La disminución de las abejas silvestres, que contribuyen de manera significativa a la polinización y, por lo tanto, son esenciales para el rendimiento agrícola, es especialmente preocupante.
Para resolver este dilema, los científicos del Instituto Fraunhofer de Microsistemas Electrónicos y Tecnologías de Estado Sólido (EMFT, por sus siglas en inglés) están trabajando en el desarrollo de nuevos tipos de sensores en el marco del proyecto de investigación Ökotox. Estos sensores están destinados a ayudar a identificar sustancias “hostilizadas para las abejas” en las primeras fases de desarrollo de nuevos productos fitosanitarios.
“Nuestro objetivo es que estos sensores detecten en pocas horas un efecto nocivo sobre los insectos y, al mismo tiempo, permitan analizar muchas sustancias en paralelo, ahorrando así tiempo y dinero”, explica el profesor Joachim Wegener, director del Departamento Fraunhofer de “Tecnología de sensores basados en células”, ubicado en el campus de la Universidad de Ratisbona (UR) y estrechamente vinculado al Instituto de Química Analítica, Quimiosensores y Biosensores de la UR.
El concepto básico del nuevo método se basa en el uso de células de insectos como sensores. Estas células tienen el metabolismo típico de los insectos en cuestión y pueden indicar cualquier efecto nocivo cuando se exponen a sustancias bioactivas. “Las células se transfieren a placas de laboratorio equipadas con microelectrodos en la base”, explica Wegener. En estas matrices de múltiples electrodos, se determina en tiempo real la resistencia de las células a la corriente alterna (impedancia) y se informa sobre los efectos nocivos sobre las células.
El método podría complementar las pruebas bioanalíticas convencionales, que se utilizan para determinar la concentración tóxica del principio activo aislado. Sin embargo, los pesticidas suelen contener numerosos aditivos, que a menudo son responsables de efectos tóxicos no deseados. Con los sensores de células de insectos, se prueba el efecto de toda la mezcla en un solo experimento. Esto permite identificar rápidamente los efectos biológicos de nuevas formulaciones.
Las células se cultivan en el laboratorio, se congelan directamente en los pocillos de las matrices de electrodos múltiples y se almacenan a bajas temperaturas. A continuación, las células se pueden descongelar según sea necesario y están listas para la prueba en cuestión de minutos, incluso directamente en el campo, independientemente de un laboratorio de cultivo celular. Esto permite preparar lotes grandes de células de sensores de manera rentable y en poco tiempo mucho antes de que se realicen las pruebas.
Hasta ahora se han probado cinco pesticidas diferentes para determinar su toxicidad celular aguda utilizando esta tecnología de sensores. “Los resultados muestran que algunos pesticidas que se venden para uso doméstico son tóxicos en concentraciones muy inferiores a las recomendadas para su aplicación”, afirma Stefanie Michaelis, responsable del proyecto.
Para automatizar la aplicación de los conjuntos de electrodos cargados con sensores, el equipo de investigación del Fraunhofer EMFT ha desarrollado un dispositivo de demostración que descongela las células y añade las muestras. “El dispositivo permite una dosificación precisa y elimina cualquier contaminación cruzada”, explica Christian Hochreiter, quien planificó y diseñó el prototipo.
En qué medida los resultados obtenidos con células de insectos reflejan su influencia en los insectos vivos será objeto de futuras investigaciones.
Además de detectar un efecto insecticida agudo, el mismo principio de sensor se utilizará para estudiar diversas funciones celulares (fenotipos) y, en el futuro, permitir la investigación simultánea de células de diferentes especies de insectos. “Nuestro objetivo es crear un perfil de impacto completo de las sustancias que vaya más allá de su toxicidad aguda pura en una sola especie”, dice Wegener.
Los hallazgos se publican en la revista Applied Research .
Más información: Sandra Friedrich et al, Desarrollo de un biosensor basado en impedancia y sin etiquetas para identificar los efectos nocivos de los pesticidas en las células de los insectos, Applied Research (2024). DOI: 10.1002/appl.202400032
