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Bacterias y enzimas de esponjas marinas han sido utilizadas para crear minúsculas microlentes que imitan la capacidad natural de estos animales para combinar fuerza y ligereza.
Estas microlentes podrían habilitar sensores de imágenes de mayor resolución y mejorar la microscopía convencional.
Debajo de la superficie del océano, estos animales marinos simples desarrollan delicados esqueletos de vidrio que son tan intrincados como fuertes. Estas estructuras naturales están hechas de un material llamado sílice, también conocido como biovidrio, que es liviano e increíblemente duradero, lo que permite a las esponjas marinas prosperar en ambientes marinos hostiles.
Ahora, científicos de la Universidad de Rochester han replicado este notable material en el laboratorio. En un artículo publicado en la revista PNAS, el equipo informa que el material bioinspirado podría allanar el camino hacia sensores de imagen especializados para usos médicos y comerciales. Al aplicar las notables propiedades de las esponjas marinas, los investigadores abren nuevas posibilidades para crear materiales sostenibles y eficientes que imiten el mundo natural.
“Esta investigación es la primera en diseñar propiedades de enfoque de luz en células bacterianas, y estoy entusiasmada de explorar las diferentes posibilidades que ha abierto nuestro trabajo”, dice en un comunicado Anne S. Meyer, profesora asociada en el Departamento de Biología de Rochester.
Una microlente es una lente muy pequeña que tiene solo unos pocos micrómetros de tamaño, aproximadamente el tamaño de una sola célula del cuerpo. Las microlentes están diseñadas para capturar y enfocar o manipular la luz en haces intensos a escala microscópica.
Debido a su pequeño tamaño, las microlentes suelen ser difíciles de crear, ya que requieren maquinaria compleja y costosa y temperaturas o presiones extremas para darles forma con precisión y lograr los efectos ópticos deseados.
Cuando Meyer se enteró de las enzimas que utilizaban las esponjas marinas para fabricar sus esqueletos de vidrio (y que las estructuras de vidrio tenían excelentes propiedades ópticas) le pareció “una base perfecta para un proyecto de biología sintética”, dice.
Meyer se asoció con expertos en múltiples disciplinas, incluidas la óptica, la física y la química. Su laboratorio diseñó células bacterianas para expresar la enzima silicateína de las esponjas marinas, que los animales utilizan para mineralizar el vidrio a base de sílice. También desarrollaron una nueva técnica de microscopía para medir las propiedades ópticas de las células bacterianas. En colaboración con científicos de materiales de la Universidad de Colorado-Boulder, Meyer se aseguró de que hubiera sílice presente en las células diseñadas mediante el análisis de las propiedades químicas de las bacterias. También trabajó con los profesores Greg Schmidt y Scott Carney del Instituto de Óptica de Rochester para crear modelos matemáticos que predijeran las propiedades ópticas de las células recubiertas de vidrio.
MÁS PEQUEÑAS QUE LAS CONVENCIONALES
El resultado fueron microlentes bacterianas que son mucho más pequeñas que las microlentes producidas normalmente.
Debido a que las microlentes son creadas por fábricas de células bacterianas, son económicas y fáciles de cultivar, y pueden crear su recubrimiento de vidrio a temperaturas y presiones estándar.
“Estas propiedades los hacen adecuados para una gama única de aplicaciones”, afirma Meyer.
El pequeño tamaño de las microlentes basadas en bacterias las hace ideales para crear sensores de imágenes de mayor resolución que van más allá de las capacidades actuales. Las microlentes podrían, por ejemplo, permitir a los médicos visualizar estructuras más pequeñas con mayor claridad. Dado que las bacterias recubiertas de vidrio enfocan la luz en haces muy brillantes, tienen el potencial de mejorar la microscopía convencional al permitir la obtención de imágenes de objetos que actualmente son demasiado pequeños para ser visualizados, como pequeñas características subcelulares.
Las bacterias recubiertas de vidrio permanecen vivas durante varios meses después de la encapsulación del vidrio, lo que las convierte en dispositivos ópticos vivos que podrían usarse para detectar y responder a su entorno cambiando sus propiedades ópticas.
Estas características hacen que las microlentes sean atractivas también para otros entornos: Meyer y un equipo de sus colegas recibieron recientemente una subvención de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea para estudiar los efectos de los materiales en entornos de baja gravedad.
“La facilidad de producir estas microlentes podría convertirlas en una buena manera de fabricar ópticas en lugares con menos acceso a herramientas de nanofabricación, incluido el espacio exterior”, dice Meyer.