En un artículo publicado en “Science Advances” por el profesor Emil Zolotoyabko del Instituto Technion de Israel y sus colegas de Alemania encabezados por el Dr. Igor Zlotnikov, han descubierto que las espículas de las esponjas marinas podrían revolucionar la tecnología de la electrónica moderna, la fibra óptica y la fabricación del vidrio.
Las esponjas marinas son unos de los organismos multicelulares más antiguos. Demospongiae y Hexactinellida, dos clases de esponjas, sintetizan elementos esqueléticos a base de sílice mineralizados, llamados espículas de vidrio, los cuales les proporcionan el soporte estructural y la resistencia mecánica que ayudan a protegerlos de su entorno.
Utilizando los métodos de rayos X más avanzados, la nano-tomografía y la difracción de rayos X enfocada, disponible en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF, Grenoble, Francia), el grupo descubrió los principios de la morfogénesis de las espículas en ciertos tipos de esponjas marinas.
Las espículas tienen una longitud de micras a milímetros y exhiben una diversidad de morfologías ramificadas tridimensionales altamente regulares, que son un ejemplo de simetría en los sistemas biológicos.
Durante la formación de espículas, el proceso de deposición de sílice se modela mediante un filamento orgánico axial. El filamento, de hasta 3 mm de diámetro, está compuesto predominantemente por proteínas enzimáticamente activas, la silicateína y sus derivados, que catalizan la biofabricación de sílice. Dicho proceso está genéticamente controlado por células especializadas, llamadas esclerocitos, y la estructura espacial de las moléculas de proteínas ayuda a determinar la forma final de la espícula.
Según los investigadores, el hallazgo más intrigante es que los bloques de proteínas en el filamento axial, están dispuestos en una estructura tridimensional cristalina que tiene simetría hexagonal y los poros dentro de esta estructura están llenos de sílice amorfa.
Esta disposición espacial regular de bloques amorfos nanométricos, da lugar a puntos muy definidos en el patrón de difracción de rayos X, que proporcionan información completa sobre la simetría de las espículas y el proceso de ramificación. Por ejemplo, el eje principal de la espícula crece perpendicularmente al plano hexagonal de la base del enrejado proteico.
En algún punto, la ramificación del eje ocurre dirigida por planos piramidales inclinados en aproximadamente 66° con respecto al plano del hexágono. De esa manera, la forma tetrápoda de la espícula se produce guiada por las propiedades de simetría del cristal de proteína en el filamento axial. Las divisiones adicionales también están determinadas por planos particulares en la red hexagonal.
“Al utilizar el filamento axial cristalino, la naturaleza ha dominado la fabricación de estructuras de vidrio extremadamente complejas a bajas temperaturas que supera ampliamente las capacidades de la tecnología humana actual”, dice el Prof. Zolotoyabko.
Por otro lado, otros investigadores estudiaron tres especies de esponjas: Tethya aurantium, Stryphnus ponderosus y Geodia cydonium; donde vieron que mientras que T. aurantium produce espículas rectas y similares a agujas, las de S. ponderosus exhiben ramificaciones precisas de tres vías y G. cydonium desarrolla orbes espinosos que maduran en esferas rugosas.
Las diferentes formas de las espículas, pueden explicarse por pequeñas variaciones en el espaciamiento y la disposición de las proteínas. Debido a que el filamento de proteína actúa como una plantilla para la deposición de sílice en la espícula, diferencias muy pequeñas en la distancia y el ángulo pueden traducirse en cambios a mayor escala en la ramificación y la simetría.
Y por otra parte, el equipo de Bell Laboratories/Lucent Technologies en Murray Hill, Nueva Jersey, ha visto que la esponja marina Euplectella aspergillum (Owen, 1841) posee unas espículas muy semejantes a los cables modernos de fibra óptica, pero con la diferencia de que éstas no se rompen. Por lo que «aquí mostramos que las espículas de la “esponja de cristal” de las grandes profundidades marinas denominada Euplectella, tienen notables propiedades de fibras ópticas que son sorprendentemente similares a las fibras comerciales de telecomunicación.»
Sin embargo, «las espículas de esta esponja marina están formadas bajo condiciones ambientales normales y tienen ciertas ventajas tecnológicas sobre las versiones hechas por el hombre». La esponja, conocida comúnmente como «canasta de flores de Venus» o “regadera de Filipinas”, tiene una estructura intrincada, como una jaula de sílice, donde las parejas de camarones van a aparearse.
En este caso, las espículas son más o menos del mismo tamaño y forma de los cables de fibra óptica. Están hechas del mismo material y transmiten la luz de una forma similar. Sin embargo, los cables de fibra óptica se rompen con frecuencia, lo cual no ocurre con las espículas de la esponja, que cuentan con refuerzos que hacen más fuerte su estructura.
Por tanto, el estudio de esta esponja podría ayudar a los científicos a descubrir mejores maneras de fabricar cables y redes de fibra óptica. “Una mayor comprensión de cómo estos organismos regulan los eventos de ramificación en los filamentos, tiene el potencial de ser adoptada en la producción de materiales nanocristalinos tecnológicamente relevantes de formas complicadas para la nanoelectrónica. Imitar recetas naturales en el laboratorio nos permitirá desarrollar una nueva tecnología de vidrio que trabaje a temperatura ambiente”.
Fuentes: Latamisrael y Vista al mar