23 de Septiembre de 2021
Biomateriales

Las hormigas muerden con mandíbulas metálicas

Gracias a una inusual combinación de proteínas y metales, las piezas bucales de algunos animales son muy superiores a nuestros dientes. Son igual de duras, pero mucho más incisivas y resistentes.

rusm/iStock/Getty Images

Al morder, las hormigas tienen que emplear un 60% menos de fuerza que los animales con dientes. Eso les permite cortar hojas sin esfuerzo o incluso romper el exoesqueleto de otros insectos, por más que sus mandíbulas sean a menudo más finas que un cabello humano. ¿Cómo lo logran? Según un trabajo reciente dirigido por Robert M. Schofield, físico de la Universidad de Oregón, el truco reside en un filo cortante que, gracias la presencia y disposición de ciertos átomos metálicos, puede ser mucho más incisivo que el que forman los biomateriales clásicos.

A diferencia del esmalte dental, por ejemplo, el biomaterial que compone las mandíbulas de las hormigas, el aguijón de los escorpiones o las piezas bucales de las arañas no está formado por cristales insertados en una masa de proteínas, sino por un material homogéneo y cuyas proteínas están «endurecidas» por átomos de metales como el zinc o el manganeso. Tal y como describen los investigadores en Scientific Reports, eso lo hace equiparable al material biológico de nuestros dientes o al de las pinzas de los cangrejos, pero mucho mejor estructurado y con mayor resistencia a las fracturas.

El grupo de Schofield lleva tiempo estudiando este tipo de biomateriales enriquecidos con elementos pesados; un material que no solo es común en las hormigas, sino también en escorpiones, arañas y algunos animales marinos. Durante largo tiempo, los investigadores desconocían los detalles estructurales de estos materiales compuestos. Su elevado contenido en metal —hasta un 18% en las piezas bucales de los gusanos marinos— sugería la existencia de finos trozos de metal incrustados en proteína. Sin embargo, el nuevo trabajo parece indicar que los átomos de metal no estarían conectados entre sí. Mediante tomografía de sonda atómica, los autores han hallado que se distribuyen de manera homogénea por toda la pieza, incluso a las escalas más pequeñas.

Debido a sus propiedades químicas, los átomos de metal funcionarían como «riostras cruzadas» que enlazan las proteínas entre sí, lo que a la postre garantiza la dureza del biomaterial. Esa estructura homogénea contrasta con la de los biomateriales clásicos, donde las sustancias duras se encuentran junto a las blandas, por lo que ambas soportan las cargas de manera muy diferente. Por ejemplo, el material de conforma los dientes puede romperse en el límite entre el mineral duro y la proteína, más flexible, especialmente cuando se trata de estructuras muy finas.

En comparación, la mandíbula de una hormiga, de una sola pieza y arriostrada por los átomos de zinc, puede ser mucho más fina y, por tanto, mucho más afilada. En la hormiga cortadora de hojas Atta cephalotes, por ejemplo, solo tiene 50 nanómetros de espesor.

Por último, la reticulación química que proporcionan los átomos metálicos parece tener una ventaja adicional. Tales átomos forman enlaces bipolares con las proteínas, los cuales pueden romperse y volver a formarse. Ello hace que el biomaterial resultante sea extremadamente resistente a la abrasión, tal y como pudieron comprobar los investigadores tras varias pruebas mecánicas. Si el material se agrieta, puede autorrepararse gracias a que los átomos metálicos restablecerán los enlaces debilitados.

Lars Fischer

Referencia: «The homogenous alternative to biomineralization: Zn- and Mn-rich materials enable sharp organismal "tools" that reduce force requirements»; R. M. S. Schofield et al. en Scientific Reports, vol. 11, art. 17481, 1 de septiembre de 2011.

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