University of Groningen Silice de las algas diatomeas ... · SÍLICE DE LAS ALGAS DIATOMEAS (CLASE Bacillariophyceae) COMO ... y a distintas escalas, desde organelos hasta tejidos

University of Groningen

Silice de las algas diatomeas (Clase Bacillariophyceae) como material complejo y suimportancia nanotecnológicaColin-Garcia, Maria; Heredia, A; Dos Santos-Rodrigues, Carina T.; Figuera, Etelvina;Almeida, Salome F.P.; Basiuk, Vladimir A.; Rodriguez-Galvan, Andres; Vrieling, EngelPublished in:La Granja

DOI:10.17163/lgr.n17.2013.01

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Reseña bibliográfica / Review LA GRANJA

SÍLICE DE LAS ALGAS DIATOMEAS (CLASE Bacillariophyceae) COMO

MATERIAL COMPLEJO Y SU IMPORTANCIA NANOTECNOLÓGICA

SILICA FROM DIATOMEAS SEAWEED AS COMPLEX MATERIAL AND ITS

IMPORTANCE IN NANOTECHNOLOGY

Maria Colín-García1,2, Alejandro Heredia2,3, Carina T. Dos Santos-Rodrígues4,

Etelvina Figueira4, Salomé F.P. Almeida5, Vladimir A. Basiuk3, Andrés

Rodríguez-Galván2, Engel G. Vrieling6

1 Instituto de Geología, Universidad Nacional Autónoma de México. Instituto de Geología, Ciudad Universitaria, 04510, México,

D.F. Fax: (52) (55) 5550 66442 Instituto de Ciencias Nucleares Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Exterior C.U. Apdo. Postal 70543. 04510

México, D.F., México. Fax.(+52) 55 56 16 22 333 Nanotechnology Research Division, Centre for Mechanical Technology & Automation, University of Aveiro, 3810193 Aveiro,

Portugal4 Centro de Biología Celular, Departamento de Biología, Campus de Santiago, Universidad de Aveiro, 3810193 Aveiro, Portugal5 GeoBioSciences, GeoTechnologies and GeoEngineering (GeoBioTec) Research Unit and Department of Biology, University of

Aveiro, 3810193 Aveiro, Portugal6 Groningen Biomolecular Sciences & Biotechnology Institute GBB Coordinating Office Postal address: P.O. Box 11103, 9700CC

Groningen

Autor para correspondencia: [email protected] y [email protected].

Manuscrito recibido el 15 de marzo de 2012. Aceptado, tras revisión, el 18 de febrero de 2013.

Resumen

La presencia de depósitos minerales es muy común en microorganismos, plantas, hongos y mamíferos. Estos organismos son,por lo tanto, un modelo natural excelente para estudiar la relación entre las principales partes que los componen, es decir la fase bio-polímérica y la mineral. La importancia de este tipo de estudios se relaciona directamente con la nanotecnología, una rama científicarelativamente reciente, encargada de estudiar los fenómenos químicos y físicos a escalas menores a los 500 nm. Cuando el sistema deestudio tiene importancia biológica, posee estructuras biológicamente activas o procede de un sistema biológico, se llama entoncesbionanotecnología. Este es el caso del estudio de la biomineralización en las algas diatomeas. Esta línea de investigación tiene altarelevancia por la dificultad de producir micro y nanoestructuras altamente controladas de dióxido de silicio o sílice (SiO2), un tipode vidrio que tiene potencialmente aplicaciones tecnológicas en liberación de drogas, celdas solares y materiales cerámicos de altorendimiento.

Los factores que afectan la geometría, las propiedades mecánicas y fisicoquímicas en estas estructuras son pobremente compren-didos, por lo que este tipo de estudios es de suma importancia. Si se logra entender las interacciones y los procesos de formaciónen estos sistemas que producen vidrio en entes biológicos, podremos acercarnos racionalmente a la síntesis de nuevos y sofistica-dos materiales nanoestructurados, con aplicaciones en una gran gama de áreas que van desde la nanotecnología (semiconductoreshíbridos) hasta la biología y biomedicina (biomateriales y estructuras liberadoras de drogas). En el presente trabajo se hace un es-bozo “ascendente” (bottomup) de la síntesis de “biosilice” en diatomeas donde se enfatiza la importancia de este fenómeno en lananotecnología.

Palabras claves: biosílice, biominerales, biopolímero, vesícula de depósito de sílice (SDV).

LA GRANJA, Revista de Ciencias de la Vida, 17(1) 2013: 5-15.c© 2013, Universidad Politécnica Salesiana, Ecuador. 5

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[email protected].

Reseña bibliográfica / Review Maria Colín-García, et al.

Abstract

The presence of mineral deposition is very common in microorganisms, plants, mushrooms and mammals. This organisms arean excellent natural model to study the relation between the principal parts involved in the process, the biopolymeric and mineralphases. The importance of this kind of studies is the relation with nanotechnology. Being a relatively new science, nanotechnologystudies the chemical and physical phenomena is a scale under the 500 nanometers. When the system under study has a biologicalsignificance, with active biologic structures, the term bionanotechnology is used. This is the case of the study of the biomineralizationin diatomeas seaweed. Due to the difficulty in the production of controlled micro and nanostructures containing silica (SiO2), thisstudy is relevant. The possible technological applications of this kind of crystals are drug liberation structures, photovoltaic cellsand high performance ceramic materials. Factors that affect the geometry, mechanical and physicochemical properties are poorlyunderstood, whereby this kind of studies are important. Understanding the interactions and processes involved in the production ofbiological crystals could yield to a rational production of new and sophisticated nanostructured material with a broad applicationin nanotechnology (hybrid semiconductors), biology and biomedicime (biomaterials, drug liberation structures). In the work weestablish a “bottom up” draft of the synthesis of “biosilica” by diatomeas emphasizing the impact in nanotechnology.

Keywords: biosilica, biominerals, biopolymer, silica deposition vesicle (SDV)

Forma sugerida de citar: Colín-García, M., A. Heredia, C.T. Dos Santos-Rodrígues, E. Figueira, S.F.P. Almeida, V.A.Basiuk, A. Rodríguez-Galván, y E.G. Vrieling. 2013. Sílice de las algas diatomeas (claseBacillariophyceae) como material complejo y su importancia nanotecnológica. La Granja.Vol. 17(1): 5-15. ISSN: 1390-3799.

6LA GRANJA, Revista de Ciencias de la Vida, 17(1) 2013: 5-15.

c© 2013, Universidad Politécnica Salesiana, Ecuador.

Sílice de las algas diatomeas (clase Bacillariophyceae)como material complejo y su importancia nanotecnológica

1. Introducción

Los materiales originados biológicamente, o bioma-teriales son estructuras altamente ordenadas, po-seen características únicas; debido tanto a su compo-sición química, como a su micro y nanoestructura.Estos materiales son también llamados compósitos(del inglés “composite” o “compuesto”), este nom-bre hace referencia a su naturaleza compleja, puesestán formados por una parte orgánica y otra inor-gánica. En nanotecnología, se les llama nanocompo-sitos o estructuras híbridas.

Los biominerales están compuestos por una par-te amorfa y una cristalina (Carter, 1990), aunque enmuchas ocasiones no se conoce completamente lacomposición de ninguna. Sin embargo, se sabe queexiste una relación complementaria entre la fracciónmineral y la fracción orgánica. La fracción mineralda a los biominerales la rigidez, mientras que la par-te orgánica confiere flexibilidad.

Estos materiales se encuentran distribuidos am-pliamente en la naturaleza (Schäffer et al., 1997) endiferentes grupos como plantas y microrganismos,y a distintas escalas, desde organelos hasta tejidos(Watabe et al., 1976). Muchas de las estructuras de-fensivas y locomoras de los organismos están cons-truidas por estos materiales; por ejemplo, huesos,dientes, las valvas de los moluscos, la frústula de lasdiatomeas, las espículas de las esponjas, etc.

Existen muchas clases de biomateriales de estetipo, los más conspicuos son los carbonatos, ópalos,óxidos de metales, etc. Las estructuras de estos bio-materiales, en las células y los organismos, son estu-diadas extensivamente por químicos, científicos demateriales y biólogos, para por un lado entender lanaturaleza de los materiales y por otro, tratar de imi-tar los métodos naturales de síntesis de los sólidos.En este trabajo, se trata de manera particular de labiosílice, un compuesto de gran importancia naturaly con posibles aplicaciones biotecnológicas. La bio-sílice producida por las diatomeas tiene un sinnú-mero de aplicaciones industrailes, sea en la nanotec-nología o en procesos industriales o tecnológicos; seincluyen el uso como productos abrasivos, forman-do parte de desodorantes, agentes decolorantes, fil-tros para purificación de agua, material para sepa-raciones cromatográficas, etc.

2. La Biosílice

El silicio es el segundo elemento más abundante enla corteza terrestre y junto con el oxígeno forman elgrupo más numeroso de minerales. Por su estructu-ra interna, los minerales de silicio se dividen en dosgrupos: los cristalinos, como el cuarzo; y los amor-fos, como el ópalo.

Para muchos organismos, el silicio es un elemen-to esencial, en ellos se le encuentra formando estruc-turas o participando activamente en procesos meta-bólicos. El biomineral que forma el silicio es el síli-ce hidratado, llamado también ópalo; representa elsegundo mineral más formado por los organismos,después de los carbonatos. La sílice (SiO2) se en-cuentra en radiolarios (un tipo de protistas), coano-flagelados, algunas familias de esponjas, plantas su-periores y es muy importante en las diatomeas; es-tos organismos son los que han sido más estudiadospara esclarecer la estructura, las propiedades y losmecanismos de síntesis de la sílice.

Figura 1. Modelo de la estructura interna del ópalo (sílicede origen inorgánico). En este mineral, aunque los polie-dros de coordinación 4 del SiO2 poseen la misma estruc-tura que en el cuarzo, no hay un orden cristalino (periodi-cidad). Puede ser que esta falta de orden sea aprovechada

por las macromoléculas para formar el sólido.

En general, los minerales se desarrollan de unaforma semejante al crecimiento heteroepitaxial delos cristales. Esto quiere decir que para que un mi-neral cristalice se requiere de una base anterior o so-porte para que los cationes y aniones se arreglen,formen el núcleo y se comience el crecimiento delcristal. En la biosílice, el composito no posee unaestructura cristalina, por el contrario, el mineral esamorfo (Figura 1) y se le encuentra siempre acom-



pañado por la parte biopolimérica constituida prin-cipalmente por polisacáridos, péptidos y aminoáci-dos (Scheffel et al., 2011).

2.1 Biosilicificación

La biosilicificación se refiere a la formación de sílicehidratada amorfa (ópalo) por organismos. El meca-nismo de biosíntesis no es conocido con detalle y secree que la macromolécula que determina la minera-lización de SiO2 debe ser una molécula con regionesaminadas o por lo menos con regiones alcalinas. Esmuy probable, sin embargo, que no sea solo una mo-lécula, sino un conjunto de estructuras orgánicas, elcual de origen a la biosílice. Hasta el momento, tam-poco hay un modelo consensuado de la interacción

entre la fase inorgánica y la fase biopolimérica endiatomeas a nivel molecular.

La formación de la biosilice puede ser explica-da con un modelo (Figura 2). La forma soluble delsilicio es el ácido ortosilícico, en el que el átomode silicio se encuentra coordinado con cuatro gru-pos hidroxilo, formando un tetraedro. Esta forma esmuy estable a 25oC cuando la concentración es me-nor a 100 ppm. Sin embargo, cuando la concentra-ción aumenta, de 100 a 200 ppm, comienzan a pro-ducirse reacciones de autocondensación. El procesopuede ser dividido en tres fases: 1) polimerizaciónde unidades de monómero que forma un núcleo es-table con un tamaño crítico; 2) crecimiento del nú-cleo para formar partículas esféricas; 3) agregaciónde las partículas para formar cadenas ramificadas,con motivos estructurales.

Si(OH)4+Si(OH)3O− → (OH)3Si-O-Si(OH)3+OH− (1)

Si(OH)3O− + ácido disilícico (H6Si2O7) → ácido trisilícico (H8Si3O10) + OH− (2)

y

Si(OH)4+ (ácido disilícico) → ácido trisilícico + OH− (3)

Si(OH)3O+ ácido trisilícico → ácido tetrasilícico (H10Si4O13) + OH− (4)

ácido disilícico + ácido disilícico → ácido tetrasilícico + OH− (5)

Si(OH)4 + (oligómero) → oligómero + OH−

Figura 2. Reacción de polimerización del ácido silícico [Si(OH)4], para formar el mineral amorfo. Obsérvese que serequiere la desprotonación del Si(OH)4 , reacción 1; Esto implica que se necesitan radicales OH− un pH superior a 7,

para que se de la polimerización; esta condición puede lograrse si la macromolécula contiene aminoácidos básicos.

2.2 Posibles macromoléculas responsa-bles de la biosilicificación del SiO2

En los años recientes se ha identificado tres tipos demacromoléculas, como candidatos para realizar labiosilicificación: a) las N-metilpropilaminas, b) lassilicateínas y c) las silafinas. Estas moléculas sondescritas a continuación.

a) N-metilpropilaminas, llamadas también LCPA(Long Chain Polyamines) se encuentra en algas.Este grupo de poliaminas poseen una porciónsimilar a la estructura de las putrescinas y estáunido covalentemente a las silafinas (Figura 3).

Figura 3. Poliamina de cadena larga con una sección cen-tral parecida a la putrescina. La estructura básica es –[CH2CH2CH2NCH2]– (la flecha roja indica la dirección

del momento dipolar de la molécula).




b) Silicateinas son las responsables de la silicifica-ción en esponjas. Estas moléculas son proteínascuya estructura ha revelado su cercanía con pro-teasas, como la catepsina y la papaina. En las es-ponjas se han identificado tres unidades: α, β yγ, que poseen secuencias muy parecidas, sien-do las mas abundantes las silicateínas α La si-licateína α se distingue por tener una secuen-cia de aminoácidos hidroxilados serina y tirosi-na. Un ejemplo de secuencia de esta molécula esla Ser-Ser-Cys-Thr-Tyr,Ser-Ser-Arg-Cys-Ser-Ser-Ser-Ser, que posee una gran cantidad de –OH ytambién tioles.

Las silicateínas se caracterizan por tener un arre-glo repetido de múltiples hidroxilos. Estas es-tructuras pueden promover la condensación desilicatos y de polímeros de siloxano organica-mente modificados, provenientes de los alcoxi-dos de silicio. La diferencia entre esta molécula ylas otras, es que para esta sí existe un modelo dereacción química para la formación de ópalo (apH neutros y condiciones normales de presióny temperatura). Se ha sugerido que las catepsi-nas en las esponjas son responsables del primerpaso, en la reconstrucción del colágeno. Las si-licateinas, junto con las catepsinas se encargandel ajuste fino en la síntesis de la matriz de colá-geno, para la síntesis de la sílice. Las silicateinasjuegan una doble función, por un lado precipi-tan la sílice en la matriz y por otro, toman partede la espiculogénesis.

c) Silafinas, presentes en las diatomeas, se hanidentificado tres tipos: Silafina1A1 (S1A1), S1A2y Silafina 2 (S2). La Silafina1A1 (S1A1): Este tipoposee tres polipéptidos casi idénticos, ricos enlisina, arginina y serina. Silafina1A2 (S1A2): Esigual a la S1A pero tiene una repetición adicio-nal del tipo S1A.

Es importante hacer notar que no se sabe si estasmoléculas tienen una estructura de alfa hélice ode hoja beta. Actualmente, tampoco se sabe có-mo es la interacción de estas moléculas con lafase inorgánica o el ácido silícico, aunque exis-ten modelos donde una parte de la superficie delSiO2 integra en el poliedro de coordinación delsilicio oxígenos de la fase biopolimérica (Figu-ra 4).

Figura 4. Modelo de interacción de la sílice (SiO2nH2O)con una macromolécula de la pared celular en una alga

diatomea.

3. Diatomeas

Las diatomeas son un tipo de algas, pertenecen algrupo de las Bacilariophyta se caracterizan porquesus células están rodeadas de una pared celular he-cha de sílice, la frústula, que generalmente tiene dospartes no simétricas la epiteca y la hipoteca (Fig 5).Los patrones de las frústulas son específicos y se en-cuentran determinados genéticamente. Las frústu-las están formadas por nanopartículas de sílice, re-cubiertas por matrices que contienen carbohidratosy proteínas.

Las diatomeas aparecen en el registro fósil enel Cretácico donde eran muy abundantes y forma-ron grandes depósitos de las llamadas tierra de dia-tomeas que han sido usadas comercialmente comoabrasivos y para filtrado. Las diatomeas tambiénson usadas como indicadores de las condiciones pa-leoambientales. Actualmente, las diatomeas estánextendidas abundantemente en los ecosistemas ma-rinos y dulceacuícolas, en el plancton y los sedimen-tos y se estima que aproximadamente el 25 % de lafijación del carbono orgánico en el planeta, se debaa las diatomeas: Las diatomeas pueden encontrarselibres o asociadas, al igual que de manera individualo formando colonias.

3.0.1 Reproducción de las diatomeas

Las diatomeas se reproducen tanto de manera se-xual como asexual, principalmente lo hacen por fi-sión binaria; en esta división el ADN se replica, que-dando en dos mitades idénticas. Cada una de las



células hijas, recibe una de las conchas de la célulamadre y debe a su vez sintetizar otra. De esta ma-nera, una de las células hijas disminuye su tamañoen cada generación, hasta que se alcanza un tama-

ño mínimo vital. Para poder restablecer el tamañooriginal de las células, las diatomeas deben repro-ducirse sexualmente, entonces las células diploidessufren meiosis (Fig 6).

5 5 µµmm

Epivalva

Bandas pleurales

Hipovalva

{

{

Epiteca

Hipoteca

Figura 5. Diagrama que muestra la constitución de la frústula en las diatomeas. Se observan la epivalva y la hipovalva,junto con sus respectivas bandas pleurales, formando la hipoteca y la epiteca.

Gametos fecundación

Formacion de la pared celular desílice y subsecuente mitosis

La célula más pequeña al alcanzar un tamaño críticopasa por meiosis

La célula más grandepasa por mitosis

Figura 6. Reproducción sexual y asexual de las diatomeas. Después de la fecundación comienza le síntesis de la paredcelular de silice bajo un escricto control molecular específico de las especies. Su estructura molecular es actualmente

muy estudiada para poder sintetizar materiales complejos.




3.0.2 Vesícula de Síntesis, o depósito, de Sílice(Silica Deposition Vesicle, SDV)

En la mayoría de los organismos que producen bio-sílice salvo en las plantas superiores y las lampreas,la sílice es sintetizada en las llamadas vesículas desíntesis de sílice (SDV Silica Deposition Vesicle, porsus siglas en inglés). Debido a la importancia de laSDV a continuación se describen algunas de sus ca-racterísticas.

En las diatomeas la compleja pared, consiste endos valvas y conjuntos de bandas entre ellas. Duran-te la citoquinesis la SDV es responsable de la forma-ción de la valva, aparece entre la membrana plasmá-tica expuesta de cada célula hija. La SDV se formaentre el centro de los microtúbulos y la membranaplasmática en una región llamada centro de forma-ción (pattern center). La SDV se elonga formandoun tubo y posteriormente aumenta de tamaño per-pendicularmente hasta formar una gran vesícula, alo largo de la pared celular. En este proceso el pHde la SDV cambia, acidificándose, como resultadodel proceso de polimerización de la sílice. Algunosde los componentes después cubren la red ya poli-merizada mientras que otras continúan armando laestructura sólida en mayores tamaños. Una vez queesta estructura, que ya posee la forma de valva essintetizada, es excitada por fusión de la membranade la SDV, este proceso es muy poco conocido. El he-cho de que la frústula sea diseñada basada en unafrústula anterior sugiere que existe una base genéti-ca detrás de este proceso de formación.

4. Biofísica y nanotecnología

La influencia de los procesos fisicoquímicos en lossistemas biológicos es altamente compleja, tanto quese le ha denominado “ingeniería natural biológica”.La mayor parte de las estructuras sólidas en biolo-gía son amorfas (Zallen, 1983). Ejemplo de esto sonlas estructuras que almacenan información como elADN y otros biopolímeros como la celulosa o colá-gena que organizan estructuralmente a los organis-mos.

Los organismos, entonces, son capaces de crearestructuras altamente ordenadas y con propiedadesmuy específicas, es exactamente en este punto don-de la biología se encuentra con la nanotecnología(Mann, 1993). Muchos han sido los intentos por sin-

tetizar materiales que semejen a los producidos porlos organismos. Muchos materiales han sido sinte-tizados, sin embargo, no se han podido reproducirexactamente las características de los materiales bio-génicos. En muchas ocasiones, los materiales sinté-ticos no poseen las cualidades biomecánicas de losbiogénicos, sus dimensiones o sus formas.

Los materiales derivados del silicio tienen im-portancia especial por sus potenciales usos para lasíntesis de cerámicas, en aplicaciones electrónicas,por su alta resistencia mecánica, etc. Por eso, resultade gran importancia conocer cómo se forman estasestructuras biológicas, pues ello posibilitará el dise-ño de materiales nanoestructurados que posean di-chas propiedades mecánicas y estructurales que aúnno se han podido alcanzar.

4.1 Interacciones mineral-orgánica en elcomposito

En los compositos, la parte orgánica y la inorgánicaestán tan estrechamente relacionadas, que muchasveces se requieren tratamientos severos, químicos obioquímicos para separarlos. De esta relación tan es-trecha se ha deducido que la parte orgánica podríaregular de alguna manera el depósito del compo-nente mineral. La importancia de conocer las inter-acciones entre la fase mineral y la porción orgánicaradica en la posibilidad de generar un modelo deinteracción y la posterior síntesis de nanomateria-les de silicio, hasta el momento no desarrollados. Esexactamente en este punto de ensamblaje y síntesisde SiO2 donde se centra el problema bionanotecno-lógico tanto a escala nanométrica (síntesis ordenadade la sílice), como micrométrica (síntesis de la frús-tula). Esto es en otras palabras, la síntesis de unaestructura híbrida a partir de algo completamentedesorganizado.

Una gran dificultad en el análisis de los sistemasSi-orgánico es la complejidad de estas estructuras(Figura 6, 7) que, como podrá suponerse, en las dia-tomeas resulta aún más complejo que en los otroscasos. Para lograr elucidar dichas interacciones, eluso de algunas técnicas, como la espectroscopía in-frarroja (FT-IR) para SiO2, podrían ser de gran utili-dad.

Estas complejas interacciones entre la fase orgá-nica y la fase mineral posiblemente son estables,controladas y se dan en distintos momentos del ciclo



de vida de la diatomea (Heredia et al., 2008). Es pro-bable que se den en la SDV y se mantengan ciertotiempo hasta que la sílice se ensambla para formarla frústula. Aunque la SDV es de diametral impor-tancia se conoce muy poco de estos procesos en estaestructura.

Basados en el conocimiento de la biosílice, sehan hecho aproximaciones a la síntesis de estructu-ras de SiO2; y si bien no ha habido logros muy im-portantes, casi cualquier avance, por pequeño quesea, resulta de gran importancia en el campo. Porejemplo, se ha logrado sintetizar microesferas deSiO2 · nH2O y algunas microfibrillas de este mismo

material. En el primer caso, las microesferas biológi-cas (SiO2 · nH2O-ópalo) y las geológicas (inorgáni-cas), difieren aparentemente sólo en el tamaño (Fig7 A y B).

Basados en esta estrecha relación de la parte or-gánica y la inorgánica se han usado moléculas sinté-ticas para producir la precipitación, un proceso de-nominado biocatálisis. Por ejemplo, usando el pépti-do pR5 lograron sinterizar diferentes estructuras desílice. Mientras que Brott et al. (2001), diseñaron unmétodo para crear un composito nanoestructuradoy ordenado de esferas por la incorporación de unpéptido policatiónico, derivado de una silafina.

1 µm

150 nm

1 µm

A

B

C

0.5 µm

Figura 7. En las frústulas, la composición básica de la estructura son esferas de SiO2 · nH2O. A) La estructura completaes muy compleja y B) viendo por partes el biomineral se pueden apreciar las esferas procedentes de la precipitacióndel Si(OH)4 mediante macromoléculas como las silafinas. C) Se pueden apreciar las esferas a mayores escalas de un

detalle de la biosílice en C.

4.2 El Microscopio de Fuerza Atómicacomo herramienta nanotecnológica ybionanotecnológica

Los objetos más pequeños que podemos palpar sonlos átomos de gran tamaño y ello es posible con losmicroscopios de efecto túnel (STM, scanning tunne-

ling microscopy) y de fuerza atómica (AFM, atomicforce microscopy) que fueron diseñados en los añosochenta. Este diseño de microscopio es el productodel trabajo del Dr. Gerard Binnig (Alemania, 1947) yHeinrich Rohrer (Suiza, 1933) de la empresa IBM enZurich y desde luego no pudieron ser posibles, sinel trabajo previo, desarrollado desde 1931, por losDoctores alemanes Ernst Ruska (1906-1988) y Max




Knoll (1897-1969). Hasta el año 1986 se les reconicióinternacionalmente y ganron el Nobel tres de ellos,sin embargo era ya muy tarde para Knoll, quien viola luz por última vez el 6 noviembre de 1969.

Lo que se puede hacer con el microscopio defuerza atómica es generar una imagen en tres di-mensiones debido al contacto de una punta de unmaterial muy duro (nitruro de silicio normalmente)con la superficie de la muestra. Esta interacción semide por que es posible que la punta en movimien-to, barriendo la superficie dé una señal digital queindique qué tanto ha bajado o subido sobre la su-perficie. Este recorrido es el que nos dará la infor-mación necesaria para generar imágenes en terce-ra dimensión a diferentes niveles que bajo algunascondiciones puede llegar a ser de decenas de nanó-metros (Figura 7 C).

En un principio, esta pequeña punta debió serconductora de electricidad. Originalmente se trata-ba de un microscopio de efecto túnel, que se presen-ta cuando tanto la punta como la muestra son con-ductoras, generando un flujo de electrones que vande un lado a otro.

Hay varios estudios usando la microscopía defuerza para tratar de entender la estructura y com-posición de la biosilice. El microscopio de fuerzaatómica tiene ventajas importantes para desentra-ñar las pequeñas diferencias en las superficies de lasfrústulas que no son evidentes usando otras técni-cas (Hildebrand et al. 2008). Con esta técnica Craw-ford et al. (2001) y Heredia et al. (2008) analiza-ron la pared celular de diatomeas Pinnularia viri-dis (Nitzsch) y Dytilum sp. Y vieron que está com-puesta de un complejo ensamblaje de compuestossilicificados y una serie de capas orgánicas y esferasde SiO2. Los mismos autores describieron que la pa-red está cubierta por un mucilago suave, no adhesi-vo y compresible. Almqvist et al. (2001) investigaronlas propiedades micromecánicas y estructurales deuna diatomea Navicula pelliculosa (Bréb.), usandoAFM. Gebeshuber et al. (2003) usaron el AFM paraestudiar varias especies de diatomeas in vivo (Eu-notia sudetica, Navicula seminulum y una terceraespecie no identificada); estos autores, determina-ron el grosor del envoltorio orgánico de la frústulay siguieron la biomineralización. Hildebrand et al.(2009), usando esta técnica analizaron las frústulasde 16 especies de diatomeas y tomaron imágenes anivel nano, meso y micro; llegaron a la conclusión deque la microescala tiene una influencia general en la

estructura a nivel nano y micro; esto implica que laSDV juega un papel fundamental en la formación dela estructura.

4.3 Perspectivas

Hay una gran necesidad en el desarrollo de fárma-cos, de técnicas bioquímicas, moleculares y genéti-cas para tener nuevas herramientas en las distin-tas áreas científicas. Los materiales silíceos tienenpotencial para ser usados en diversos campos, co-mo la microelectrónica, la optoelectrónica, la catá-lisis, la biomedicina, etc. Una de las ventajas de lasíntesis mediada por organismos es que ésta ocurreen condiciones fisiológicas, mientras que la síntesisquímica requiere de condiciones extremas, como al-tas temperaturas, presiones o pH extremos, lo que lahace poco viable. Las diatomeas son capaces de sin-tetizar estructuras tridimensionales de manera rápi-da; lo que aún no es posible desde el punto de vistatradicional en la nanotecnología.

En el caso de la biosilicificación, para que se deeste desarrollo es necesario entender el funciona-miento de la SDV, para de esa forma escudriñar losdetalles in situ. Uno de los puntos más importantesse refiere al uso de técnicas de fluorescencia. Algu-nos colorantes, como la rodamina 123 se unen selec-tivamente a la sílice haciéndola brillar, al cambiar elpH de la SDV. Para poder entender a las diatomeascompletamente y con ello la síntesis de su frústu-la, se requiere mejorar las técnicas de cultivo, reali-zar estudios de la morfogénesis, además de estudiarprocesos como la selección y la mutación.

5. Reflexiones finales

Los biomateriales tienen mucho aún por desvelar,constituyen un grupo de compuestos cuya síntesis ycaracterización representa uno de los retos biológi-cos y tecnológicos más interesantes en la actualidad.Entre estos materiales la biosílice, que constituye lafrústulas de las diatomeas, es un material con capa-cidades importantes. Las frústulas son estructurascon formas muy hermosas y con propiedades ópti-cas, mecánicas y de composición únicas que apenasahora se están entendiendo. Las aplicaciones tecno-lógicas de estos organismos hasta ahora, han sidopocas, pero el desarrollo y la aplicación de técnicas



novedosas ampliará el conocimiento de este mara-villoso grupo, posibilitando su aplicación en otrasáreas.

Agradecimientos

Agradecemos al diseñador H. Heredia Barbero(〈[email protected]〉) por el diseño gráfico delas figuras en el presente artículo. La figura 3 fue he-cha con el programa Avogadro (an open-source mo-lecular builder and visualization tool. Version 1.0.1.)〈http://avogadro.openmolecules.net/〉)

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