Sorprendentes hallazgos sobre los cristales naturales en animales pueden revolucionar el diseño de materiales
* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.
¿Qué tienen en común los peces, los camaleones, los cangrejos y Walter White, el profesor de química de Breaking Bad? La respuesta es que todos saben cómo fabricar cristales. Pero, a diferencia del incorregible White, que fabricaba cristales de metanfetamina que alteraban la mente con fines delictivos, los demás fabrican cristales naturales para fines mucho más saludables: desde la visión y el camuflaje hasta la regulación del calor y la comunicación.
Aunque muchos de los cristales que los seres vivos producen dentro de sus células están compuestos por solo dos moléculas (guanina e hipoxantina), la diversidad resultante es asombrosa en términos de formas, usos y propiedades ópticas. Los investigadores han estado fascinados por la capacidad de los animales para crear una variedad tan enorme a partir de dos simples bloques de construcción, pero hasta ahora no había una explicación satisfactoria para esta riqueza de cristales en el mundo animal. En un estudio publicado recientemente en Nature Chemical Biology, los investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias resolvieron el misterio y proporcionaron una descripción completa de las “recetas biológicas” que las células utilizan para cocinar un menú tan variado y útil de cristales.
El héroe de la historia es el pez cebra, un pequeño pez de agua dulce de una belleza visual impresionante cuyo cuerpo está cubierto de cristales de colores. Las fotografías tomadas en primer plano revelan que sus tejidos contienen diferentes cristales: mientras que la cubierta protectora de las branquias, el opérculo, es plateada, los ojos reflejan una luz azulada y las células de la piel son de un amarillo o azul brillante.
“Al intentar comprender por qué los cristales son diferentes, los aislamos de los tejidos y descubrimos que diferían mucho entre sí en términos de forma, composición y disposición en la célula”, explica el Dr. Dvir Gur del Departamento de Genética Molecular de Weizmann, quien dirigió el equipo de investigación.
Utilizando un microscopio electrónico, el equipo observó que los cristales que se formaban en la cubierta de las branquias eran largos y estrechos, mientras que los de los ojos eran más cortos y los de la piel eran los más cortos. “Nos dimos cuenta de que los cristales del pez cebra nos brindan una oportunidad de investigación perfecta para comprender cómo se controlan bioquímica y genéticamente la estructura y las propiedades de los cristales, sin tener que comparar entre cristales formados en diferentes animales con diferentes composiciones genéticas”, añade Gur.
Cuando los investigadores observaron más de cerca los diferentes cristales del pez cebra, notaron que su forma se veía afectada por la proporción entre las moléculas de guanina e hipoxantina. Este efecto se asemeja al que ocurre en el trabajo de un panadero, que puede elegir un equilibrio adecuado de ingredientes para crear diferentes delicias: por ejemplo, si se utiliza más crema que chocolate, se obtendrá una mousse aireada, mientras que si se utiliza una proporción equilibrada o menor, se obtendrá un ganache perfecto para rellenar o glasear.
De manera similar, diferentes proporciones de guanina e hipoxantina en el cristal alterarán su estructura y sus propiedades ópticas y, en consecuencia, la forma en que el organismo lo utiliza. Después de medir la proporción de estos componentes moleculares en diferentes cristales de pescado, los investigadores lograron recrear artificialmente tres cristales de pez cebra diferentes en el laboratorio, cada uno con diferentes proporciones de guanina e hipoxantina.
Las proteínas que devuelven la luz a las branquias
Pero la guanina y la hipoxantina no son solo los componentes básicos de los cristales. También son moléculas vitales que utilizan todos los seres vivos y que son esenciales tanto para la construcción del ADN como para el correcto funcionamiento de las células. Para comprender mejor el mecanismo que regula su proporción en los cristales y por qué la producción de estos cristales no altera otros procesos celulares, Rachel Deis, la estudiante de doctorado que dirigió la investigación, aisló las células productoras de cristales, llamadas iridóforos. Luego, en cooperación con un equipo de investigación interdisciplinario, descifró los mecanismos biológicos que les permiten crear cristales a medida.
“Es la primera vez que logramos aislar los iridóforos, identificar las proteínas que contienen y compararlas con células que no producen cristales”, afirma Deis. “Cuando analizamos la lista de proteínas de los iridóforos, nos sorprendió descubrir dos tendencias aparentemente contradictorias. Por un lado, los iridóforos contenían una cantidad particularmente grande de enzimas responsables de formar los bloques de construcción de los cristales; por otro lado, contenían cantidades menores de lo esperado de otras enzimas con funciones similares que pertenecen a la misma familia de proteínas”.
Estos hallazgos llevaron a los investigadores a sospechar que cada grupo de iridóforos tiene un equilibrio único de enzimas, y que este equilibrio único en la célula es lo que determina la proporción entre los componentes básicos de cada cristal y, como resultado, la estructura y función del cristal en diferentes tejidos. “Los humanos tenemos una sola enzima que es responsable de la etapa final de preparación de la guanina; en los peces, identificamos cinco enzimas diferentes”, explica Gur. Esta multitud de enzimas en los peces les permite producir diferentes proporciones de guanina e hipoxantina, los componentes básicos utilizados para formar los cristales, sin alterar otras funciones celulares.
Los investigadores finalmente pusieron a prueba el mecanismo. Diseñaron un pez incapaz de expresar una enzima conocida como pnp4a, una de las necesarias para producir guanina cristalina. En un pez cebra normal, esta enzima está presente en grandes cantidades en los iridóforos oculares y en cantidades menores en los iridóforos de la piel. Cuando los investigadores diseñaron un pez incapaz de expresar esta enzima, los cristales en sus ojos eran más pequeños en número y cambiaron de forma de alargados a cuadrados, volviéndose similares a los que se ven en la piel del pez. El experimento confirmó que cada grupo de células tiene un equilibrio enzimático único y que cuando este equilibrio se altera, se producen cambios en los componentes básicos de la célula que conducen a un cambio en la estructura de sus cristales.
“Hemos conseguido desvelar toda la historia de principio a fin: desde los genes que permiten a los peces producir una amplia variedad de enzimas con funciones similares, pero diferentes, pasando por el nivel único de expresión de cada enzima en las células, hasta la forma en que la presencia de las enzimas determina la proporción entre los diferentes componentes de los cristales y, por tanto, sus características”, resume Gur.
Los investigadores atribuyen su éxito en el descubrimiento de todo el mecanismo a la naturaleza interdisciplinaria del equipo de investigación, en el que trabajaron biólogos junto a expertos en óptica y biomateriales. Sus hallazgos no solo amplían nuestra comprensión de la naturaleza y nos permiten imitar sus materiales, sino que también resaltan la belleza y la simplicidad de la naturaleza: cómo dos estructuras moleculares simples producen una riqueza tan grande de funciones biológicas complejas.
También participaron en el estudio: Olha Baiko, Dolev Brenman-Begin, la Dra. Tali Lerer-Goldshtein, el Dr. Zohar Eyal y la Dra. Tsviya Olender del Departamento de Genética Molecular de Weizmann; el Dr. Moshe Goldsmith del Departamento de Ciencias Biomoleculares; Yonghui Dong, el Dr. Ziv Porat y el Dr. Uwe Heinig del Departamento de Instalaciones Básicas de Ciencias de la Vida; la Dra. Sofya Lushchekina del Departamento de Ciencias del Cerebro; el Dr. Smadar Levin-Zaidman, el Dr. Iddo Pinkas y la Dra. Neta Varsano del Departamento de Apoyo a la Investigación Química; Sylvia Kaufmann y la Dra. Rita Mateus del Instituto Max Planck; y la Dra. Meital Kupervaser del Centro Nacional de Medicina Personalizada Nancy y Stephen Grand Israel.
