La creciente demanda mundial de alimentos de origen vegetal hace que el uso de pesticidas sea esencial para proteger los cultivos de las plagas y garantizar el rendimiento de los mismos. Sin embargo, existe un inconveniente importante: el uso generalizado de pesticidas ha provocado en el pasado una disminución significativa de las poblaciones de insectos, incluidas las abejas. Es particularmente alarmante la disminución de la población de abejas silvestres, que contribuyen significativamente a la polinización y, por tanto, son esenciales para la productividad agrícola.
Para resolver este dilema, los científicos del Instituto Fraunhofer de Microsistemas Electrónicos y Tecnología 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 diseñados para detectar sustancias “hostiles para las abejas” en las primeras etapas del desarrollo de nuevos productos fitosanitarios. Los resultados fueron publicados en la revista Applied Research.
“Nuestro objetivo es que estos sensores muestren los efectos nocivos sobre los insectos en unas pocas horas y al mismo tiempo permitan probar varias sustancias en paralelo, ahorrando tiempo y dinero”, afirma el profesor Joachim Wegener. Wegener es el director de la Cátedra Fraunhofer “Cellular Sensing Technologies”, que se encuentra en el campus de la Universidad de Regensburg (UR) y está estrechamente asociada con el Instituto de Química Analítica, Quimio y Biosensores de la UR.
El concepto principal del nuevo enfoque se basa en el uso de células de insectos como sensores. Estas células tienen un metabolismo típico de los insectos correspondientes y pueden detectar cualquier efecto nocivo cuando se exponen a sustancias bioactivas. “Las células se transfieren a placas de laboratorio equipadas con microelectrodos en el fondo”, explica Wegener. En estos conjuntos de electrodos múltiples se detecta en tiempo real la resistencia de las células a la corriente alterna (impedancia) y se notifican los efectos nocivos sobre las células.
Principio básico de la medición de la impedancia eléctrica del sustrato celular (ECIS). Foto: Investigación Aplicada (2024). DOI: 10.1002/apl.202400032.
El método puede complementar las pruebas bioanalíticas convencionales que se utilizan para determinar la concentración tóxica de un ingrediente activo aislado. Sin embargo, los pesticidas suelen contener numerosos aditivos que a menudo son responsables de efectos tóxicos no deseados. Utilizando 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 las nuevas fórmulas.
Las células se cultivan en el laboratorio. Se congelan directamente en los pocillos de conjuntos de electrodos múltiples y se almacenan a bajas temperaturas. Las células ahora se pueden descongelar según sea necesario y están listas para realizar pruebas en cuestión de minutos, incluso en el campo, independientemente del laboratorio de cultivo celular. Esto permite preparar grandes lotes de células sensoras de manera eficiente y rentable mucho antes de las pruebas.
Hasta la fecha, se han probado cinco pesticidas diferentes para determinar su toxicidad celular aguda utilizando esta tecnología de sensores. “Los resultados muestran que algunos pesticidas vendidos para uso doméstico son tóxicos en concentraciones muy inferiores a las recomendadas para su aplicación”, dijo Stephanie Michaelis, responsable del proyecto.
Para automatizar la aplicación de conjuntos de electrodos con sensores, el grupo de investigación Fraunhofer EMFT ha desarrollado un dispositivo de demostración que descongela células y añade muestras. “El dispositivo garantiza una dosificación precisa y elimina cualquier contaminación cruzada”, explica Christian Hochreiter, quien diseñó y desarrolló el prototipo.
La medida en que los resultados obtenidos con células de insectos reflejan los efectos en insectos vivos será objeto de futuras investigaciones. Además de detectar el efecto insecticida agudo, el mismo principio de sensor se utilizará para estudiar diferentes funciones celulares (fenotipos) y permitirá en el futuro el estudio simultáneo de células de diferentes especies de insectos. “Nuestro objetivo es crear un perfil completo de los efectos de las sustancias que vaya más allá de su pura toxicidad aguda para una sola especie”, concluyó Wegener.
Fuente: Universität Regensburg. Autor: Caroline Stürmer.
