Permitirían sensores de imagen de mayor resolución y mejorar la microscopía convencional
Debajo de la superficie del océano, unos simples animales llamados esponjas marinas 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 que las esponjas marinas prosperen en ambientes marinos hostiles.
Ahora, científicos de la Universidad de Rochester han replicado este notable material en el laboratorio, utilizando bacterias y enzimas de esponjas marinas para crear diminutas microlentes que imitan la capacidad natural de la esponja marina de combinar fuerza y ligereza.
En un artículo científico el equipo, que incluye científicos de la Universidad de Colorado-Boulder, la Universidad Tecnológica de Delft y la Universidad de Leiden, informa que el material bioinspirado podría allanar el camino hacia sensores de imágenes especializados para usos médicos y comerciales.
Al aplicar las extraordinarias propiedades de las esponjas marinas, los investigadores descubren nuevas posibilidades para crear materiales sostenibles y eficientes que imitan el mundo natural.
"Esta investigación es la primera en diseñar propiedades de enfoque de la luz en células bacterianas, y estoy entusiasmada por explorar las diferentes posibilidades que ha abierto nuestro trabajo", dice Anne S. Meyer, profesora adjunta del Departamento de Biología de Rochester.
Imagen: Los investigadores diseñaron y construyeron un microscopio especializado que ilumina las muestras desde una amplia gama de ángulos. También desarrollaron una innovadora técnica de microscopía para medir las propiedades ópticas de las células bacterianas recubiertas de vidrio, lo que les permitió visualizar cómo enfocan la luz las bacterias. (Fotografía de la Universidad de Rochester / J. Adam Fenster)
¿Qué es una microlente?
Una microlente es una lente muy pequeña de apenas unos pocos micrómetros de tamaño (aproximadamente el tamaño de una sola célula del cuerpo). Las microlentes están diseñadas para captar y enfocar o manipular la luz para convertirla en haces intensos a escala microscópica.
Debido a su pequeño tamaño, las microlentes suelen ser difíciles de crear y requieren compleja y costosa maquinaria, así como temperaturas o presiones extremas para darles forma con precisión y lograr los efectos ópticos deseados.
Cuando Meyer observó sobre las enzimas que las esponjas marinas usan para hacer sus esqueletos de vidrio (y que las estructuras de vidrio tenían excelentes propiedades ópticas), "pareció una base perfecta para un proyecto de biología sintética", dice.
Innovación colaborativa entre disciplinas
Imagen derecha: Tethya aurantium, también conocida como naranja marina o esponja de pelota de golf. (Wikimedia Commons)
Meyer se asoció con expertos de múltiples disciplinas, como la óptica, la física y la química. Su laboratorio diseñó células bacterianas para expresar la enzima silicato de las esponjas marinas, que los animales utilizan para mineralizar el vidrio a base de sílice. También desarrollaron una novedosa 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 analizando 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 predijeron las propiedades ópticas de las celdas recubiertas de vidrio.
¿El resultado? Microlentes bacterianas mucho más pequeñas que las que se producen habitualmente.
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 las hacen muy adecuadas para una gama única de aplicaciones", afirma Meyer.
Imagen: La estudiante de posgrado Lynn Sidor prepara células bacterianas que autoensamblarán su propio revestimiento de vidrio utilizando enzimas de esponjas marinas.
Lentes pequeñas, gran potencial
¿Cuáles son los beneficios de una microlente? El diminuto tamaño de las microlentes basadas en bacterias las hace ideales para crear sensores de imágenes de mayor resolución que van más allá de las actuales capacidades. Las microlentes podrían, por ejemplo, permitir a los médicos visualizar con mayor claridad estructuras más pequeñas.
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 en 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 pretende estudiar los efectos de los materiales en entornos de baja gravedad.
"La facilidad de producir estas microlentes podría convertirlas en una buena forma de fabricar ópticas en lugares con menos acceso a herramientas de nanofabricación, incluido el espacio exterior", afirma Meyer.
Los hallazgos se han publicado en la revista PNAS: Engineered bacteria that self-assemble bioglass polysilicate coatings display enhanced light focusing
