Un proceso biológico permite a los moluscos marinos desarrollar dientes indestructibles
Investigadores de la Universidad de California en Irvine y de las universidades japonesas de Okayama y Toho han realizado un estudio pionero para comprender cómo los quitones, moluscos que se alimentan de algas que crecen en rocas intermareales, desarrollan dientes tan duros, resistentes al desgaste y magnéticos. Sus descubrimientos están inspirando nuevas formas de producir avanzados materiales para diversas aplicaciones.
En su estudio, el equipo reveló el proceso mediante el cual las proteínas de unión al hierro específicas del quitón, llamadas RTMP1, se transportan a los dientes recién formados a través de túbulos nanoscópicos llamados microvellosidades. Estos controlan con precisión dónde y cuándo se depositan las proteínas, lo que garantiza que las criaturas desarrollen una arquitectura dental dura, fuerte y resistente que les permita realizar los repetitivos movimientos abrasivos de los que dependen sus vidas.
"Los dientes del quitón, que consisten en nanobarras de magnetita y material orgánico, no solo son más duros y rígidos que el esmalte dental humano, sino también más duros que los aceros con alto contenido de carbono, el acero inoxidable e incluso el óxido de circonio y el óxido de aluminio: cerámicas de ingeniería avanzada fabricadas a altas temperaturas", dijo el coautor David Kisailus, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la UC Irvine.
"El quitón produce nuevos dientes cada pocos días, superiores a los materiales utilizados en herramientas de corte industriales, medios de molienda, implantes dentales, implantes quirúrgicos y recubrimientos protectores. Además, se fabrican a temperatura ambiente y con precisión a nanoescala. Podemos aprender mucho de estos diseños y procesos biológicos".
Imagen: Una imagen de investigación de cuatro paneles muestra el quitón, que mide más de 20 centímetros, en la esquina superior izquierda. El panel central de la fila superior derecha muestra la parte inferior del quitón, donde su boca (cavidad bucal) está abierta, destacando los dientes superduros, capaces de roer rocas, dispuestos en la boca del quitón (panel del extremo derecho). El panel inferior izquierdo muestra la evolución de los dientes del quitón de claro a oscuro; el color más oscuro indica la presencia de óxido de hierro endurecido en el material dental, proceso que constituye el foco de este estudio. David Kisailus / UC Irvine
Existen más de 900 especies diferentes de quitones en todo el mundo, la mayoría de las cuales habitan en regiones costeras intermareales. Se pueden encontrar en lugares como Crystal Cove y Laguna Beach, cerca del campus de la UC Irvine, pero Kisailus indicó que las especies investigadas en este estudio son mucho más grandes y viven en las zonas costeras del noroeste de Estados Unidos y frente a la costa de Hokkaido, Japón.
El equipo de investigación descubrió que las proteínas RTMP1 existen en quitones en diferentes lugares del mundo, lo que sugiere "algún diseño biológico convergente en el control de la deposición de óxido de hierro", según Kisailus.
Dijo que cuando él y sus colaboradores comenzaron, no eran conscientes de cómo y cuándo estas proteínas que se unen al hierro se transportaban a los dientes del quitón. Pero al utilizar una combinación de materiales avanzados y análisis biológicos moleculares, descubrieron que estas proteínas especializadas que inicialmente se encontraban dentro de los tejidos que rodeaban los dientes inmaduros y no mineralizados eran dirigidas a través de túbulos nanoestructurados hacia cada diente.
Una vez dentro, las proteínas se unen a estructuras preensambladas de nanofibras de quitina, el biopolímero estructural que controla la arquitectura de las nanobarras de magnetita en los dientes. Al mismo tiempo, el hierro almacenado en la ferritina, otra proteína que se encuentra en el tejido exterior de los dientes, se libera en cada diente, donde se une al RTMP1, lo que conduce a la deposición precisa de óxido de hierro a escala nanométrica, que continúa creciendo durante la maduración del diente en nanobarras de magnetita altamente alineadas que finalmente producen los dientes ultraduros.
Imagen: Chiton tuberculatus
Kisailus dijo que este proyecto ha mejorado la comprensión de la humanidad sobre el metabolismo del hierro celular y al mismo tiempo ha proporcionado información sobre la síntesis de materiales avanzados de próxima generación.
"El hecho de que estos organismos formen nuevos conjuntos de dientes cada pocos días no solo nos permite estudiar los mecanismos precisos de la formación de minerales a escala nanométrica dentro de los dientes, sino que también nos brinda nuevas oportunidades para la síntesis controlada espacial y temporalmente de otros materiales para una amplia gama de aplicaciones, como baterías, catalizadores de pilas de combustible y semiconductores", afirmó. "Esto incluye nuevos enfoques para la fabricación aditiva (impresión 3D) y métodos de síntesis mucho más respetuosos con el medio ambiente y sostenibles".
Lo que distingue a este estudio, según Kisailus, es la combinación de técnicas de ciencia de materiales de última generación, que incluyen microscopía electrónica de ultra alta resolución, análisis de rayos X y espectroscopia, con métodos biológicos como inmunofluorescencia, seguimiento de la expresión genética e interferencia de ARN para revelar la coreografía molecular completa de la formación de los dientes del quitón.
"Al combinar enfoques de la biología y la ciencia de los materiales a través de maravillosos esfuerzos globales, hemos descubierto cómo se construye desde cero uno de los materiales biológicos más duros y resistentes de la Tierra", dijo Kisailus.
Los resultados del estudio se publican en Science: Radular teeth matrix protein 1 directs iron oxide deposition in chiton teeth
