A medida que el conocimiento y las herramientas de la ingeniería eléctrica se generalizan, surgen nuevas innovaciones en campos que antes se pensaba que estaban fuera del alcance debido a las altas barreras de entrada. Los componentes se abarataron, los diseños se lanzaron como código abierto y nuestro conocimiento de los microcontroladores llegó de tal manera que cualquier persona con una conexión a Internet podía tomar una placa de desarrollo y comenzar a construir algo muy poderoso. Una herramienta que ha estado disponible recientemente es el microcontrolador de código abierto Arduino, popular entre los aficionados principiantes y avanzados. El hardware y el software fáciles de usar de Arduino permiten a los diseñadores crear fácilmente dispositivos complejos sin conocimientos previos de programación o desarrollo de hardware. Estos avances también han hecho que las personas reconsideren las herramientas biológicas, específicamente los termocicladores para reacciones en cadena macromoleculares, la electroforesis en gel para el análisis de ADN y el análisis químico.
A medida que el conocimiento y las herramientas de la ingeniería eléctrica se generalizan, surgen nuevas innovaciones en campos que antes se pensaba que estaban fuera del alcance debido a las altas barreras de entrada. Los componentes se abarataron, los diseños se lanzaron como código abierto y nuestro conocimiento de los microcontroladores llegó de tal manera que cualquier persona con una conexión a Internet podía tomar una placa de desarrollo y comenzar a construir algo muy poderoso. Una herramienta que ha estado disponible recientemente es el microcontrolador de código abierto Arduino, popular entre los aficionados principiantes y avanzados. El hardware y el software fáciles de usar de Arduino permiten a los diseñadores crear fácilmente dispositivos complejos sin conocimientos previos de programación o desarrollo de hardware. Estos avances también han hecho que las personas reconsideren las herramientas biológicas, específicamente los termocicladores para reacciones en cadena macromoleculares, la electroforesis en gel para el análisis de ADN y el análisis químico.
La reacción en cadena de polímeros (PCR) es el proceso de replicación del ADN utilizando una mezcla simple de muestras de ADN, cebadores que coinciden con las secuencias de pares de bases que se encuentran en el ADN que se va a replicar, una enzima polimerasa y varios otros productos químicos. Siguiendo ciclos específicos de calentamiento y enfriamiento, el ADN se desnaturaliza primero, luego se une a los cebadores en un paso de hibridación y luego se extiende mediante enzimas polimerasas de ADN. Como resultado, la cantidad de esa secuencia particular de ADN se duplica con cada ciclo completo. El proceso de duplicación produce un total de 2n copias de ADN. donde n es el número de ciclos ejecutados. Este es un proceso relativamente simple.
Aunque el proceso puede ser simple, los termocicladores utilizados para realizar PCR en el laboratorio son máquinas engorrosas, de alta corriente y costosas, que cuestan entre $ 10,000 y $ 20,000 para mejores sistemas controlados por computadora. El enorme costo y el equipo requerido han significado tradicionalmente que solo las grandes instituciones han tenido la capacidad de replicar el ADN mediante PCR. Un proceso simple se complica por el equipo requerido para realizar la replicación.
Sin embargo, mejores herramientas de ingeniería eléctrica, como la serie Arduino de microcontroladores de código abierto, han reducido significativamente el costo. Una instancia de PCR mucho más barata que se está construyendo es Open PCR (http://openpcr.org/) ofrece un kit para construir un termociclador de 16 pozos por menos de $600. Todo el diseño, desde el hardware hasta el software utilizado, es de código abierto bajo la licencia GPL, por lo que puede copiar o mejorar el diseño sin comprar el kit. La caja es pequeña, pero aún funciona con Walmart, y deberá usar la fuente de alimentación de su computadora de escritorio para proporcionar suficiente corriente para el sistema de enfriamiento de ventilador y calefacción resistiva. Además, se requiere una computadora portátil u otra computadora para la comunicación basada en USB. Esto nos permite programar el dispositivo y recibir información sobre el progreso del ciclo de PCR. El sistema monitorea los puntos de ajuste de temperatura y el número de ciclos. La siguiente figura es una receta de PCR típica que se muestra en el software OpenPCR, cortesía del sitio web de OpenPCR.
La verdadera ingeniería de estos termocicladores es gestionar el calor necesario. Como se muestra arriba, la desnaturalización de proteínas requiere una temperatura uniforme de aproximadamente 100 °C, mientras que otros pasos requieren temperaturas mucho más bajas. Para garantizar que el ADN esté a cada temperatura durante el tiempo adecuado, los sensores digitales que controlan la temperatura del bloque calefactor de aluminio deben sondear y responder constantemente al microcontrolador. Si el elemento calefactor está demasiado caliente, la solución acuosa del vial comenzará a hervir, lo que puede causar serios problemas en el proceso. OpenPCR también garantiza un calentamiento uniforme con una tapa de cierre cubierta con un bloque de aluminio. Un elemento calefactor también calienta y enfría la tapa mientras se ejecuta el ciclo.
Gran parte del mismo proceso de pensamiento llevó a otros grupos fuera de Open PCR a mejorar la tecnología de los termocicladores. Chris Templeman, fundador de Templeman Automations, y el equipo PCR de Notre Dame (https://github.com/ND-HowardGroup/pcr), bajo la dirección del Dr. Scott Howard, se propusieron crear un termociclador portátil de código abierto y bajo costo para el Departamento de Biología de la Universidad de Notre Dame. Un equipo de estudiantes de pregrado y posgrado tanto en informática como en ingeniería eléctrica creó una plataforma para la replicación de ADN a un costo total de menos de $200.
Con Arduino Uno, una placa de desarrollo de la familia Arduino alimentada por el microprocesador Atmega32 AVR, el dispositivo creado por el equipo de PCR de Notre Dame está diseñado para transferir calor a un bloque de aluminio mecanizado. Suministra corriente a varias resistencias de alto vataje. Controle de cerca la temperatura del bloque utilizando un sensor de temperatura digital similar a OpenPCR. Se incluye un controlador proporcional-integral-derivativo (PID) en el programa para mantener una cantidad constante de corriente a través de una resistencia con retroalimentación proporcionada por el mismo sensor de temperatura. Los controladores PID funcionan midiendo el error actual, la acumulación integral de errores pasados y el error futuro estimado, y presentan una solución de control interesante para resolver problemas de gestión térmica de dispositivos. Una vez que el termociclador se ha enfriado a otro paso de temperatura, se enciende un pequeño ventilador de computadora para enfriar uniformemente el bloque de aluminio.
Una placa simple diseñada con KiCad, una herramienta de diseño de placa de código abierto, reúne todo y lo conecta a la interfaz de usuario. En lugar de un controlador de computadora portátil o tableta, el termociclador ND PCR se opera con un teclado de 12 dígitos y una pantalla LCD serial de 16 x 2 caracteres. Esto le permite elegir entre varias recetas codificadas que se pueden personalizar fácilmente para adaptarse a la aplicación que utiliza su dispositivo. Modificando campos en el código fuente disponible públicamente. La pantalla LCD muestra la cantidad de segundos que el programa ha estado funcionando, la cantidad de ciclos, el punto de ajuste de temperatura y la temperatura actual del primer sensor de temperatura. Un primer prototipo funcional del ND PCR se puede ver en la imagen a continuación, cortesía del sitio de Google de Howard Research Group.
Las mejoras en tales técnicas son prometedoras para la investigación, la educación y las aplicaciones prácticas. La idea detrás de ND PCR era que mientras los biólogos rastreaban el comportamiento específico de la mosca de la fruta, no querían esperar semanas para analizar las muestras. Como resultado, el dispositivo puede funcionar con una batería del tamaño de la mitad de la batería de un automóvil que se puede recargar fácilmente con celdas solares económicas disponibles en el mercado. Entre los muchos usos de OpenPCR está la idea de que las escuelas secundarias y universidades con fondos limitados podrían usar el dispositivo como una herramienta educativa. No hay sustituto para la experiencia, y el dispositivo funciona de manera muy similar a una PCR de sobremesa comercial, por lo que muchas personas finalmente están listas para usar el mismo equipo en un entorno profesional. Los resultados proporcionados por ambos termocicladores indican que la replicación del ADN puede demorar más de una hora, pero se puede lograr una replicación suficiente con estos dispositivos económicos.
Más allá de las aplicaciones académicas, los termocicladores portátiles y económicos abren una gran cantidad de posibilidades. Por ejemplo, los productores de frutas de África occidental a menudo exportan sus cultivos a Europa occidental. Los productores de mango en Malí pueden enviar a España cultivos que al llegar al puerto se encuentran contaminados con parásitos que eran invisibles a simple vista antes del envío. Los agricultores asumen entonces tanto los costos de envío como los costos de destrucción de la fruta, y pierden ventas potenciales. El uso de una mezcla de PCR diseñada para replicar solo el ADN común a ese parásito de cultivos le permite analizar muestras pequeñas antes del envío. Las muestras que se encuentren contaminadas después del análisis del ADN resultante pueden retenerse y enviarse el resto. Además, el Servicio de Pesca y Vida Silvestre de EE. UU. ha expresado interés en desarrollar mejores técnicas para detectar y rastrear especies invasoras, como la carpa asiática, en la región de los Grandes Lagos y en otras partes del país. Nuestro prototipo actual tiene características que lo convierten en una herramienta de cinturón de herramientas para muchas aplicaciones, y es barato y fácil de hacer.
Una mejor ingeniería reduce las barreras de entrada para aquellos que buscan replicar el ADN, ofreciendo resultados similares a los dispositivos utilizados en entornos académicos a una fracción del costo. El aspecto de código abierto de los proyectos involucrados significa que habrá muchos aportes sobre la mejor manera de avanzar y, con el tiempo, los dispositivos producidos mejorarán cada vez más.