Imanes vivientes y mentes de (ingenio)ría

31/10/2014 1 comentario
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Mi mensaje de hoy es el siguiente: en nanotecnología, las nanopartículas son solo un eslabón de la cadena. Para ejemplificar esto, les voy a presentar a un tipo de organismos vivos muy especiales, ya que llevan incorporada... una brújula hecha de nanopartículas.

 

Ingeniería de nanopartículas

Tal como les comentaba en mí último post, las nanopartículas han estado siempre ahí. La diferencia es que ahora somos capaces de producirlas de manera controlada e intencionada. Esto es lo que se conoce como nanopartículas de ingeniería. Y claro, ésta es una historia fascinante porque, el hecho de ser capaces de producir nanopartículas de oro, plata, magnetita, u otros materiales, de diferentes tamaños, formas y colores, permite a los científicos imaginar y, a veces incluso ver desarrollados, nuevos sistemas para un gran número de aplicaciones. Por poner dos ejemplos: recubrimientos antioxidantes para coches o ampollas inyectables para tratar tumores. Para que se hagan una idea de la cantidad de productos comerciales que contienen nanopartículas de ingeniería: solo en el proyecto pen, se han identificado, desde el año 2005, más de 1800 de ellos.  El desarrollo de estos productos ha sido posible, en gran medida, gracias a la investigación básica. La siguiente figura ilustra la cronología de la ingeniería de nanopartículas en el siglo XX.

 Cronología de algunos de los hitos más significativos en la historia de la ingeniería de nanopartículas. La flecha vertical señala uno de los momentos claves en el desarrollo de nanopartículas magnéticas, las cuales son el objeto de este artículo.

Mi intención de hoy es, sin embargo, contarles algo que va más allá: al hablar de nanotecnología, las nanopartículas de ingeniería son solo un eslabón de la cadena. Porque la cadena del desarrollo científico-técnico se compone, según mi opinión, de los siguientes elementos: observación de la naturaleza, aprendizaje de ella, imitación y finalmente desarrollo (gracias a la imaginación o ingenio) de algo nuevo. Para ejemplificar esto, les voy a presentar hoy a un tipo de organismos vivos que existen en la naturaleza, desde hace probablemente millones de años, y que son muy, muy pequeños. Lo más interesante es que llevan incorporado algo realmente especial: una brújula basada en... ¡nanopartículas!

Brújulas vivientes

Gracias a la ciencia, y sobre todo a la microscopía electrónica, conocemos cada vez más formas de vida que llevan incorporadas nanopartículas magnéticas de forma natural. Un ejemplo: las bacterias magnetotácticas. Éstas son un grupo de organismos que se definen por el hecho de poder producir nanopartículas magnéticas por biomineralización. Y no lo hacen gratuitamente, utilizan las nanopartículas para orientarse con respecto a campos magnéticos. La primera publicación sobre este tipo de bacterias se remonta a 1963, cuando un estudiante llamado Salvatore Bellini, de la Universidad de Pavia, en Italia, describió cómo todas las bacterias de un sedimento se orientaban en una misma dirección. Tras el asombro inicial, Bellini se dio cuenta de que esa dirección era precisamente la del polo norte magnético. Hoy en día se sabe mucho más sobre este tipo de bacterias, por ejemplo que el objetivo de dicha orientación sea, muy posiblemente, encaminarse a zonas de gradiente de oxígeno y de nutrientes. Se sabe también que las bacterias magnetotácticas son capaces de producir diferentes tipos de nanopartículas cristalinas: magnetita (Fe3O4) o greigita (Fe3S4), de morfología esférica, rectangular o con forma alargada. Además, el tamaño de las nanopartículas que se forman en el interior de las bacterias pueden tener diferentes tamaños (típicamente entre 30 y 120 nm). Vemos, por tanto, que las bacterias magnetotácticas son capacas de hacer, desde hace miles, posiblemente millones de años, algo de lo que nosotros nos vanagloriamos ahora: producir nanopartículas con características bastante definidas.

 

Imágenes de microscopía electrónica mostrando bacterias del tipo <em>Magnetospirillum gryphiswaldense</em> (imagen superior). En el interior de las bacterias se puede apreciar la existencia de cadenas de nanopartículas magnéticas (imagen inferior). Fuente: Wikipedia en Alemán.

 

Movimiento de bacterias magnetotácticas al aproximar y alejar un imán (cortesía de Christa Heyward, filmado en MBL, Woods Hole, EEUU).

 

Sistemas de (ingenio)ría

Desde Bellini hasta la actualidad, se han producido algunos avances que han posibilitado a los científicos, no solo entender mejor a la naturaleza, sino incluso crear sistemas artificiales con propiedades interesantes. Por ejemplo, este mismo 2014, científicos del departamento de Química Inorgánica y del Instituto de Biotecnología de la Universidad de Granada, publicaron un trabajo en la revista Advanced Functional Materials. Según los autores, habían creado algo interesantísimo: el primer imán vivo sintetizado en un laboratorio. Para ello, los científicos se inspiraron en algo existente en la naturaleza: las bacterias magnetotácticas. El procedimiento seguido por este grupo de Granada consistía en lo siguiente: mezclar nanopartículas de maghemita de 10 nm (superparamagnéticas) con un tipo de bacterias probióticas (no dañinas, se encuentran en muchos alimentos). El resultado era el siguiente: miles de nanopartículas recubrían cada una de las bacterias de un modo bastante compacto, adoptando entonces, propiedades magnéticas diferentes (se convertían en imanes). Según los autores, este sistema se podría utilizar tanto para la diagnosis como para el tratamiento de enfermedades, por ejemplo, el cáncer de estómago. Si quieren saber más sobre este sistema, les invito a ver el siguiente vídeo.

Creo que el sistema desarrollado en Granada, ejemplifica bien el mensaje que les quería transmitir hoy: Bellini (y muchos otros) observaron primera la naturaleza. Otros, posiblemente la intentaron imitar pero, al final vino una, o varias, mentes innovadoras que fueron capaz de crear diferente. En pocas palabras, aprendiendo de la naturaleza, se pudo aplicar el ingenio para crear algo nuevo. ¿Hay algo más bello?

 

Literatura

- S. Bellini. Su di un particolare comportamento di batteri d'acqua dolce. Instituto di Microbiologia dell'Universita di Pavia, 1963.
- W. Lin, D. A. Bazylinski,T. Xiao, L. Wu and Y. Pan. Life with compass: diversity and biogeography of magnetotactic bacteria. Environmental Microbiology, 16(9), 2646-2658, 2014.
- M. Martín, F. Carmona, R. Cuesta, D. Rondón, N. Gálvez and J. M. Domínguez-Vera. Artificial Magnetic Bacteria: Living Magnets at Room Temperature. Advanced Functional Materials. 24 (23), 3489–3493, 2014.
- Schüler, Dirk. The biomineralization of magnetosomes in Magnetospirillum gryphiswaldense. Int. Microbiology 5 (4): 209–214, 2002.
- J. Baumgartner, G. Morin, N. Menguy, T. Perez Gonzalez, M. Widdrat, J. Cosmidis, and D. Faivre. Magnetotactic bacteria form magnetite from a phosphate-rich ferric hydroxide via nanometric ferric (oxyhydr)oxide intermediates. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110(37): 14883-14888, 2013.
- E. Alphandéry, S.- Faure, O. Seksek, F. Guyot and I. Chebbi. Chains of Magnetosomes Extracted from AMB-1 Magnetotactic Bacteria for Application in Alternative Magnetic Field Cancer Therapy. ACS Nano 5(8): 6279-6296, 2011.