Utiliza la cutícula, un material que normalmente forma el exoesqueleto de un animal
Los primitivos ojos compuestos de un cangrejo de herradura (Limulus polyphemus) son uno de los más grandes que se encuentran en la naturaleza. En contraste con muchos insectos y arañas que construyen sus ojos a partir de proteínas vítreas, el cangrejo de herradura usa cutícula, el mismo material que construye su piel y sus patas.
Un equipo internacional dirigido por el Prof. Yael Politi del B CUBE–Centro de Bioingeniería Molecular en TU Dresden ha demostrado ahora que una serie de diferentes cambios en la arquitectura general, así como la composición local del material, permiten que el animal use la cutícula para construir elementos ópticos.
Los ojos compuestos son comunes en insectos y crustáceos. Consisten en una serie de lentes que recogen la luz de diferentes direcciones y la enfocan con precisión en un punto, donde se encuentran las células receptoras.
"El ojo compuesto es la respuesta de la naturaleza a la necesidad de capturar un amplio campo de visión en un ojo pequeño. Es un desafío similar al que enfrentan los diseñadores de cámaras modernas que quieren miniaturizar más y más las cámaras mientras mantienen un amplio campo de visión de más de 90 grados", explica el Prof. Yael Politi, líder del grupo de investigación en el B CUBE–Centro de Bioingeniería Molecular en TU Dresden.
Los ojos compuestos del cangrejo de herradura son primitivos en comparación con otros artrópodos, como las libélulas o los camarones. En lugar de utilizar las típicas proteínas vítreas para construir el cristalino, el cangrejo de herradura reutiliza el material que construye su exoesqueleto: la cutícula.
Imagen: Estructura de la córnea del Limulus polyphemus
"La cutícula de los artrópodos es un material compuesto que consta de proteínas y un polímero cristalino conocido como quitina. Es el componente característico de insectos, arañas y otros artrópodos que lo utilizan para construir su piel y patas, el llamado exoesqueleto", dice el profesor Politi.
La cutícula es conocida por su versatilidad y excelentes características mecánicas. Sin embargo, no hay una sola cutícula. Diferentes artrópodos ajustan el compuesto a sus necesidades. Durante la evolución, la estructura del material se adaptó a su función y se volvió más rígida o más flexible, según las necesidades de los animales individuales.
"Sin embargo, el uso de la cutícula para construir lentes es inusual y la medida en que el cangrejo de herradura la reutiliza para sus ojos es nada menos que notable. Queríamos entender exactamente cómo modificó el animal la estructura y composición de la cutícula, un material conocido principalmente por sus sobresalientes características mecánicas, para construir una serie de lentes con propiedades ópticas variables", dice el profesor Politi.
Imagen: Micrografía de luz de transmisión del interior del ojo compuesto del cangrejo de herradura que muestra el conjunto de lentes colectores de luz. Las lentes aparecen oscuras o brillantes según el ángulo de visión. Crédito: Oliver Speaker
Adaptación de la cutícula en un elemento óptico
El equipo trabajó junto con investigadores de Potsdam y Brno y utilizó instalaciones europeas de radiación de sincrotrón a gran escala para analizar las lentes del cangrejo de herradura. Los investigadores observaron tanto la organización global de las capas de la cutícula como la proporción de los componentes individuales, el contenido de agua y la composición elemental del material. Como resultado, encontraron una variedad de adaptaciones que juntas permiten que la cutícula se convierta en un excelente elemento óptico.
"Trabajar en la Instalación europea de radiación de sincrotrón en Grenoble y la fuente de luz BESSY II en Berlín nos permitió usar sincrotrones y sus haces de luz enfocados muy pequeños para realizar la difracción de rayos X y la fluorescencia. Gracias a estas técnicas, pudimos mapear la estructura molecular de los componentes de la cutícula en diferentes escalas de longitud y descubrir qué elementos químicos se utilizan para construir esta versión particular de la cutícula", explica Oliver Spaeker, estudiante de doctorado del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Potsdam y autor principal del estudio.
Los investigadores también desarrollaron un nuevo método para medir las propiedades ópticas del material a alta resolución. Para ello, colaboraron con la empresa checa Telight y utilizaron imágenes de fase cuantitativas. El nuevo método permitió correlacionar la estructura local del material con las propiedades ópticas en esa parte particular de la lente.
En conjunto, el equipo encontró no una, sino una serie de adaptaciones en todos los niveles que permiten que el cangrejo herradura use la cutícula para los elementos ópticos.
"Todo, desde la composición local de la cutícula, en particular la adición de bromo, hasta múltiples cambios en la arquitectura del compuesto, es decir, la relación entre sus componentes, la organización de las proteínas, el contenido variable de agua y la forma general del cristalino... Todo contribuye a convertir la cutícula en un material con excelentes propiedades ópticas", dice el Prof. Politi.
"Al final, lo que más nos sorprendió fue que las lentes de la cutícula parecen funcionar tan bien que el animal necesitaba introducir pigmentos para reducir la cantidad de luz que recoge la lente", agrega el profesor Politi.
Lecciones de un antiguo diseñador
El grupo de investigación tiene como objetivo extraer principios de diseño de biomateriales. "Mi grupo de investigación tiene como objetivo aprender de la naturaleza: el diseñador iterativo más antiguo y experimentado del mundo, que trabaja bajo las limitaciones de la evolución", dice el profesor Politi.
A largo plazo, estos conocimientos se pueden utilizar para producir mejores materiales que sean menos complejos y más fáciles de reciclar, mientras funcionan al menos tan bien como se necesita.
Los resultados fueron publicados en la revista Advanced Science: Gradients of Orientation, Composition, and Hydration of Proteins for Efficient Light Collection by the Cornea of the Horseshoe Crab
