Nanotecnología (6): Biomineralización

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

En el post anterior de esta serie sobre nanotecnología hablábamos del autoensamblaje de moléculas, que caracteriza la formación de materiales en los seres vivos.

Los fabricantes de materiales cerámicos buscan procedimientos baratos y eficaces para producir polvos muy finos —nanométricos— con el fin de elaborar cerámicas más fiables. Estos polvos tan finos se pueden sinterizar a temperaturas y presiones más bajas debido a su gran relación superficie/volumen. También permiten conseguir productos con menos defectos y con poros más pequeños; las cerámicas fabricadas a partir de nanopolvos suelen ser más tenaces que las cerámicas tradicionales. Ya se han fabricado prototipos de motores de explosión con componentes cerámicas a base de nanopolvos. Las ventajas son: menos peso, más resistencia a la corrosión y al desgaste, y mejor rendimiento. La dificultad está en conseguir nanopolvos baratos, ya que los procedimientos habituales —molienda y machaqueo— no permiten llegar a los grados de finura deseados. Por estos motivos los científicos han puesto los ojos en la naturaleza, en busca de ideas.

La naturaleza fabrica nanomateriales por biomineralización. Desde las nanobrújulas que usan las bacterias hasta las estructuras macroscópicas de las conchas de los moluscos, los corales o los colmillos de los elefantes, todas estas maravillosas estructuras, las ha producido la naturaleza depositando materiales inorgánicos sobre sistemas biológicos. La biomineralización implica la extracción selectiva de elementos del entorno y su incorporación en estructuras funcionales bajo control biológico. La biomineralización está teniendo un gran impacto en la ciencia de los materiales y en otras áreas como la paleontología y taxonomía (por los fósiles), la geoquímica, la sedimentología o el estudio de la evolución del clima.

La biomineralización suele ofrecer a los organismos algo más que un esqueleto; les proporciona movimiento, protección, flotabilidad y sistemas sensoriales que responden a los campos gravitatorio, óptico y magnético. Detengámonos, por curiosidad, en este último aspecto.

Parece ser que el campo magnético terrestre influye en el comportamiento de muchos seres vivos. Se pueden encontrar ejemplos en microorganismos —como bacterias y algas— abejas, salamandras, peces, tortugas, aves, mamíferos marinos y, posiblemente, en humanos. El ejemplo que se conoce mejor es el de la magnetorecepción y magnetonavegación de las bacterias con magnetosomas. R.P. Blakemore (1975) fue el primero que describió estos singulares microorganismos al observar cómo grandes poblaciones de bacterias acuáticas migraban siguiendo las líneas del campo magnético terrestre (Blakemore R.P. (1975) Magnetotactic bacteria. Science 190, 377-379).

Los magnetosomas de las bacterias, en esencia, están formados por un nanocristal magnético rodeado por una membrana. Los cristales más frecuentes son óxido de hierro en forma de magnetita, Fe3O4, y sulfuro de hierro en forma de geigita, F3S4. Ambos son ferrimagnéticos a temperatura ambiente y cristalizan con la estructura de la espinela inversa. El tamaño de los cristales siempre está dentro de unos límites muy estrechos —entre 35 y 120 nm— con objeto de optimizar la magnetización. Si las partículas son menores de 35 nm, tienen un comportamiento superparamagnético y no exhiben magnetización remanente. Y si son mayores de 120 nm, se pueden formar varios dominios magnéticos y, por lo tanto, reducir también la magnetización remanente. La naturaleza no deja de sorprendernos y nos muestra cómo la evolución ha optimizado el tamaño de los nanocristales para que sea el de un solo dominio magnético.

En muchas bacterias los magnetosomas están dispuesto en cadenas, de forma que los momentos dipolares magnéticos de cada nanopartícula sean paralelos al eje de la cadena. Con esta disposición, el momento magnético de la célula es la suma de los momentos de las partículas y la célula maximiza el momento magnético total. Este momento es suficientemente grande para que su interacción con el campo magnético terrestre supere las interacciones de origen térmico que tienden a orientar aleatoriamente las células en medios acuosos. La cadena de magnetosomas es una obra de arte de la bioingeniería y se comporta como la aguja de una brújula biomagnética. Las bacterias con magnetosomas han resuelto el problema de diseñar un dipolo magnético permanente, suficientemente pequeño para poderlo construir dentro de ellas y que les sirva para orientarse en el campo geomagnético mientras nadan.

Las nanopartículas magnéticas de las bacterias han sugerido numerosas aplicaciones, las más inmediatas centradas en sistemas de impresión y registro de datos. Una revisión excelente de las características más interesantes del magnetismo de sistemas de nanopartículas puede verse en un artículo de Hernando y González (Hernando A., González A. (2000) Nanoestructuras magnéticas: Un hito en el desarrollo de los materiales magnéticos. En Temas Actuales en Ciencia de Materiales (A. Conde et al. Eds.). Univ. de Sevilla, 39-71). Las dificultades para su comercialización aparecen cuando se intenta producirlas a escala industrial. Se ha trabajado en desarrollar un procedimiento comercial para un cultivo axénico masivo de bacterias con magnetosomas. Parece ser que la producción máxima está alrededor de 5 gramos de magnetita por cada 1000 litros.

La inmovilización de sustancias bioactivas es otra posible utilización de los nanoimanes y, también, se ha especulado sobre su utilización para transportar y administrar fármacos agresivos mediante campos magnéticos externos. En 1984, Schwartz y Blakemore patentaron el uso de las bacterias con magnetosomas para ensayos clínicos, inmunoensayos, separación de células y biosensores.

Matsunaga y Kamiya, en 1987, ya destacaron las ventajas de las nanopartículas procedentes de las bacterias frente a las nanopartículas artificiales que, fácilmente, forman agregados de 1000 a 2000 nm de diámetro y no son aptas para el transporte de fármacos (Matsunaga T., Kamiya S. (1987) Use of magnetic particles isolated from magnetotactic bacteria for enzyme immobilization. Appl. Microbiol. Biotechnol. 26, 328-332). Además, dichos investigadores compararon la actividad de la glucosa oxidasa y de la uricasa asociadas a nanopartículas magnéticas procedentes de bacterias y de nanopartículas magnéticas artificiales y encontraron que la actividad en las primeras era 40 veces superior y que podían reutilizarse hasta 5 veces, mientras que las sustancias bioactivas asociadas a partículas artificiales perdían el 80% de su actividad al cabo de cinco ciclos.

Otros organismos unicelulares, en este caso algas, producen filigranas calcáreas que nos cautivan por su sorprendente belleza: los cocolitos, a los que dedicaremos el próximo post de esta serie.

 

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Comentarios

Me resulta increíble los estudios sobre los nanoimanes y la cantidad de aplicaciones que podría tener, hay todo un campo por delante donde la imaginación es el límite.

Quedo también impaciente a la espera del desarrollo sobre los cocolitos.

Supongamos que fijamos mediante proyeccción sobre una superficie de hormigón, una delgadísima capa de un metal, por ejemplo “hierro o cobre”;
Pregunta: se por podría provocar la oxidación en muy corto espacio de tiempo (un día) mediante la incorporación de nanopartículas procedentes de las bacterias.

Su campo de aplicación sería muy variado.

Los fabricantes de materiales cerámicos buscan procedimientos baratos y eficaces para producir polvos muy finos —nanométricos— con el fin de elaborar cerámicas más fiables.

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