Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

Narices electrónicas

Hace unos días investigadores de la Universidad Tufts, de Boston, han presentado, con orgullo, lo que califican el último y más sofisticado desarrollo de una nariz electrónica o nariz artificial, es decir, un instrumento capaz de detectar olores.

En este caso concreto se trataba de reconocer la presencia de trazas de dinitrobenceno (concentraciones de solo 1000-2000 partes por billón), un componente de las minas antipersonales, de las que se calcula existen casi 100 millones de ellas enterradas en todo el mundo y cuya localización es difícil y muy costosa en términos económicos y de riesgos físicos.

No es difícil imaginar las aplicaciones diversas que se podrían realizar si dispusiésemos de "narices artificiales" específicas que nos ayudasen a controlar contaminaciones, realizar ciertos diagnósticos médicos no invasivos, localizar escapes químicos, localizar drogas ilegales, estandarizar y monitorizar la calidad de los alimentos y bebidas, etcétera. ¿Cuál es el estado científico de la cuestión?.¿Qué características del sentido del olfato pretendemos reproducir?. ¿Con qué estrategias?

OLFATO. En el hombre, el sentido del olfato radica en las células olfatorias de la nariz que, con solo una superficie de unos 5 cm2, nos permiten diferenciar hasta tres mil olores diferentes. El sentido del olfato es muy importante en todo el reino animal. Las hormigas y las abejas reconocen por el olfato a los miembros de sus comunidades. Ciertas mariposas machos o polillas del gusano de seda son capaces de "oler" a sus hembras a distancias superiores a los 10 km. El cerdo puede diferenciar 5.500 olores. Y algunas razas de perros son especialmente sensibles, poseyendo superficies de células olfatorias superiores a los 25 cm2, con capacidad para detectar concentraciones tan bajas como cien partes por billón. Y pueden discriminar un componente entre miles de otros presentes que, además están mucho más concentrados. Lo mismo le sucede a un buen catador de vinos.

¿Cómo funciona el sentido del olfato?. La región olfativa de la nariz, cercana a su nacimiento, es la conocida como pituitaria amarilla, cuya membrana mucosa es muy gruesa y de color amarillento. Además de las células epiteliales cuenta con 10-20 millones de células olfatorias nerviosas dotadas de receptores hacia las moléculas olorosas. Sus axones atraviesan la lámina cribosa del hueso etnoides, penetrando hasta el bulbo olfativo, situado debajo de la parte frontal de la base del cerebro. Allí establecen las correspondientes sinapsis con las neuronas y desde los bulbos olfativos parten las vías olfatorias que llegarán a la corteza cerebral, donde se generará una respuesta (que identificamos como olor).

Los receptores olfatorios de las neuronas olfatorias para ser excitados necesitan de cantidades muy pequeñas de la sustancia olorosa y sufren un fenómeno de acomodación, perdiendo capacidad de excitación con el tiempo. Pero cantidades superiores de la sustancia excitante o la presencia de otra distinta consiguen estimular de nuevo.

BIOQUÍMICA. ¿Como podemos reconocer a miles de sustancia olorosas diferentes?. Si el reconocimiento mediante receptores correspondiese a una especificidad tipo llave-cerradura, ello significaría la necesidad de poseer miles de proteínas receptoras diferentes lo que, a su vez, nos llevaría a tener que usar para su codificación a una parte sustancial de nuestro genoma, lo que sería ilógico. Por ello, estos modelos iniciales rígidos tipo llave-cerradura se desecharon pronto.

La naturaleza ha desarrollado un modelo evolutivo más sofisticado, que todavía desconocemos en buena parte, que logra combinar una alta sensibilidad con un amplio espectro de detección y con una gran eficacia en la discriminación. Para ello existen una serie de moléculas receptoras (¿unos cientos?) pero no una específica para cada olor. Cada receptor se expresa en unas determinadas neuronas olfatorias y su estimulación se transmite de un modo semejante al mecanismo molecular de la acción de muchas hormonas. Ello significa que el estímulo se media por proteínas G de la membrana celular, lo que activa a la enzima adenilato ciclasa, produciéndose AMP cíclico intracelularmente. Este AMP cíclico abre unos canales específicos de iones sodio y la señal se envía hasta el cerebro a través del correspondiente nervio olfativo.

El modelo operativo puede calificarse como de especificidad distribuida. En el mismo, cada molécula olorosa individual es reconocida diferencialmente y simultáneamente por diferentes receptores de diversas neuronas olfatorias produciendo señales distintas que se reciben en el cerebro, se integran y procesan en las regiones superiores cerebrales responsables del reconocimiento e identificación. Por tanto, un olor activa a diferentes receptores. Y un determinado receptor puede ser discriminatoriamente activado por varias moléculas olorosas.

Posiblemente los receptores, cuando sean más conocidos en el nivel molecular, puedan distribuirse en familias, de modo semejante a como podemos hablar de hasta siete familias de olores primarios que son: alcanfor, almizcle, flores, menta, éter, acre (avinagrado) y podrido.

NARIZ ARTIFICIAL. Los bioingenieros que pretenden construir instrumentos detectores de olores pronto se dieron cuenta del fracaso de los intentos de los modelos llave-cerradura, es decir, ligando específico para olor específico. Por ello, lo que están haciendo es intentar emular a la Naturaleza. Volviendo al instrumento recién presentado por los investigadores de la Universidad de Tufts, consta de hasta 32 sensores poliméricos unidos a diferentes materiales fluorescentes, con la posibilidad, cada uno de ellos de usar 16 longitudes de onda diferentes de excitación y de emisión. Ante la presencia de un estímulo determinado los sensores responden diferencialmente, dando lugar a una serie de respuestas complejas que se trasladan a un ordenador donde se procesan algorítmicamente para dar un resultado en forma de probabilidad de presencia de la molécula sospechosa.

Por ahora cada "nariz artificial" puede ser entrenada para reconocer hasta 5 posibles olores diferentes. Pero todavía subsisten otras limitaciones muy importantes: alto costo de producción (unos 50.000 dólares cada instrumento), gran tamaño (más de medio metro cúbico, aparte del ordenador) y peso, influencia de factores externos como humedad y temperatura, problemas de interferencias, envenenamiento de sensores, etcétera.
Aunque será muy difícil en poco tiempo poder replicar artificialmente la complejidad biológica de ese maravilloso y sensible sentido que es el olfato hay que estar de acuerdo con el Dr. Kauer, investigador principal del proyecto hoy comentado, en el sentido de que estamos en el inicio del desarrollo de una serie de nuevos instrumentos de gran utilidad para el hombre y que, para ello, necesitamos profundizar más en nuestros conocimientos de los sistemas biológicos olfatorios.