Utilizando un sencillo proceso de una sola etapa, los ingenieros y científicos de la Universidad de California en Berkeley han desarrollado recientemente una técnica para dirigir a unos benignos y filamentosos virus, llamados fago M13, que sirven como bloques de construcción estructural de materiales con una amplia gama de propiedades.

Controlando solamente el entorno físico, los investigadores provocaron que los virus se auto-ensamblaran en estructuras delgadas como películas organizadas jerárquicamente, con la complejidad que van desde un simple canto, líneas onduladas, trenzados quirales, hasta verdaderos patrones sofisticados de cuerdas superpuestas de material, unos resultados que, a su vez, arrojan una luz sobre el auto-ensamblaje de los tejidos biológicos en la naturaleza.

«Tenemos mucha curiosidad sobre cómo la naturaleza puede crear tan diversas estructuras y funciones con solo unos simples bloques de construcción estructural, como el colágeno de los animales y la celulosa de las plantas», destacaba Seung-Wuk Lee, bioingeniero de la Universidad de California en Berkeley.

La unidad fundamental de estas nuevas películas es el virus caza bacterias, el M13. En la naturaleza, el virus ataca a la Escherichia coli (E. coli), aunque en los laboratorios de bioingeniería, el susodicho virus se está convirtiendo en una herramienta de escala nanométrica que puede ensamblarse de manera compleja debido a su forma larga y delgada y su giro quiral.

Cómo se hacen estructuras biomiméticas

En el laboratorio de Berkeley, los virus se suspenden en una solución salina moderada. Sumergen un sustrato fino en ella, permitiendo que el virus de adherirse al sustrato. Al variar la velocidad a la que se retiran los sustratos de la solución enriquecida de virus, la concentración de virus en la solución y la concentración iónica, los investigadores son capaces de crear tres categorías distintas de películas.

La película más sencilla consistía en alternar bandas de filamentos, con los filamentos virales de cada banda orientados perpendicularmente a los filamentos de la banda adyacente. El aumento de la concentración de virus en la solución añade más restricciones físicas a cada movimiento de filamento dentro de su medioambiente. De modo que los grupos de filamentos se unían en cintas helicoidales. A concentraciones más altas, se formaban agrupaciones más complejas, aunque ordenadas, de filamentos, que los investigadores refirieron como «fideos-tallarines».

Mediante esta variación de sus técnicas, los investigadores pueden alterar el entorno físico de los filamentos virales, y en última instancia, obligar a los virus a que se alineen dentro de las películas en estructuras altamente especializadas. Cada película es diferente en color, iridiscencia, polaridad y otras propiedades.

Los investigadores creen que la naturaleza jerárquica de las estructuras reflejan los patrones de crecimiento jerárquico de las biomoléculas similares en la naturaleza, unos procesos que dan lugar a materiales quirales, como el colágeno, que se expresan como bloques de construcción de la córnea en simple nivel de auto-ensamblaje, y los bloques de construcción del tejido de la piel a un nivel más complejo. Se consegúian auto-ensamblajes de impresionantes estructuras a macro-escala, por ejemplo, el tejido de la piel color azul de las aves y en los monos de cara azul no es en realidad una expresión de la absorción de la luz del pigmento azul, sino la dispersión de la luz azul debida a complejos conjuntos de bloques quirales de construcción molecular.

«Creemos firmemente que nuestro nuevo enfoque para la construcción de plantillas biomiméticas», de estructuras supramoleculares, se asemeja mucho al ensamble de fibras naturales helicoidales», señalaba Lee. «Una razón importante es que no sólo imitan las estructuras biológicas, sino que descubrimos también estructuras que no se han visto en la naturaleza o en el laboratorio, como el auto-ensamblado de estructuras de ‘fideos-tallarines», con seis parámetros distintos de orden.»

Las películas pueden servir a su vez como sustratos biológicos. El equipo hizo crecer capas de células que fueron orientadas según la textura de los sustratos, junto con la incorporación de una variación de calcio y fosfato para crear un biomaterial similar al esmalte de los dientes.

Según el director del programa, Joseph Akkara, en la National Science Foundation Biomaterials, «estos informes pueden ser utilizados para investigar los mecanismos de las enfermedades como el Alzheimer, que son causadas por la agregación de amiloide en los tejidos de nuestro cerebro. En términos más generales, los avances pueden provocar efectos científicos impactantes en el área de la regeneración y reparación de tejidos.»

• Referencia: Kurzweilai.net, 24 octubre 2011
• Ref: Woo-Jae Chung, et al., Biomimetic self-templating supramolecular structures, Nature, 2011; [DOI:10.1038/nature10513
• Imagen: Nueva base de virus revelan materiales de diferentes texturas y propiedades diferentes para reflejar la luz (crédito: Universidad de California en Berkeley)
• Traducido por Pedro Doanire
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