Por Christian Meier
Un compás ha sido siempre una herramienta indispensable, no sólo para los marineros que desean llegar a su destino. Ciertas bacterias acuáticas también se valen, al navegar, del campo magnético de la Tierra. Su compás interior consiste en una cadena de insignificantes partículas del mineral magnético magnetita.
Estas partículas son producidas por las mismas bacterias, y tienen propiedades magnéticas únicas, tales, que resultan de gran interés para aplicaciones médicas y de otras tecnologías. Sin embargo, hasta la fecha, sólo la naturaleza sabe cómo se producen. Damien Faivre, químico que trabaja en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfases, en Postdam, espera desentrañar el secreto, con la ayuda de los siete hombres de su equipo. Una vez que los investigadores comprendan la forma en que la nanobacteria produce las nanopartículas, confían en que sea posible desarrollar un procedimiento para manufacturar las partículas, primero en el tubo de análisis, y más tarde a escala industrial.
En 1975, el microbiólogo norteamericano Richard Blakemore descubrió que ciertos organismos acuáticos navegan a lo largo del campo magnético de la Tierra y les impuso un nombre muy adecuado: bacterias magnetotácticas. Sin embargo, estos microbios no buscan el Polo Norte, sino las partes más profundas de su ambiente acuático. Las líneas del campo magnético alejadas del ecuador no corren paralelas a la superficie de la Tierra, sino que apuntan hacia abajo. Esto guía a las bacterias magnetotácticas hacia las aguas más profundas, donde se mezclan sedimentos y agua. Estas áreas hambrientas de oxígeno brindan las condiciones ideales para que la bacteria viva y se desarrolle. Ellas no son capaces de usar la gravedad para la orientación vertical, dado que son casi tan densas como el agua, y, en consecuencia, no perciben su peso.
GUIADAS HACIA EL FONDO POR UN COMPÁS
Las bacterias deben su compás a los magnetosomas, organelos que constan de una simple partícula de magnetita, que mide menos de cien nanómetros y que está rodeada por una membrana que evita que las partículas se junten. Unos 20 magnetosomas forman cadenas a lo largo de fibras de proteína en la bacteria. Trabajan como la aguja de un compás y se vuelven en la dirección del campo magnético de la Tierra, aproximadamente en una dirección norte-sur. Dado que los magnetosomas se unen a las fibras de proteína de la bacteria, todo el microbio se vuelve con ellas. Entonces, cuando los microbios rotan sus flagelos, se mueven a lo largo de las líneas del campo magnético, hacia el fondo del cuerpo de agua, como si fueran en rieles.
“Las bacterias generan nanopartículas magnéticas perfectas”, afirma Faivre. Primero, las bacterias magnetotácticas producen las partículas en un tamaño uniforme –una proeza que debería hacer a los ingenieros químicos sentarse y tomar nota de ello, dado que el tamaño uniforme de las partículas es un importante indicativo de calidad en la producción de nanopartículas. “Y no sólo eso, sino que las bacterias pueden incluso controlar la forma de las partículas”, agrega Faivre.
Algunos tipos de bacterias magnetotácticas producen nanopartículas en forma de bala, mientras que otras les dan forma de agujas. De hecho, cada tipo de bacteria crea sus partículas de manera uniforme. En pocas palabras, estas bacterias hacen alarde de un perfecto control interno de calidad en la síntesis de partículas de magnetita.
Las propiedades magnéticas de las partículas son de enorme interés para aplicaciones técnicas. “Ellas despliegan un remanente y una coercitividad que no puede ser igualada por cristales producidos de manera artificial”, dice Faivre. Estos dos parámetros físicos significan que los materiales son magnéticamente duros, por lo cual su magnetismo permanente se conserva muy estable. Ésta es una propiedad deseable en muchas aplicaciones técnicas; por ejemplo, en el almacenamiento magnético de datos, con una densidad de fragmentos sin precedente.
PARTÍCULAS DE MAGNETITA PARA LA DETECCIÓN DE TUMORES
Otras aplicaciones requieren propiedades magnéticas uniformes, y esto es precisamente lo que ofrecen las nanopartículas magnéticas de las bacterias, gracias a su forma y tamaño uniformes. Las partículas magnéticas alargadas, creadas artificialmente, podrían ser utilizadas como agente de contraste en la imagen de resonancia magnética. Los tejidos que contienen las partículas aparecerían en las imágenes como áreas más oscuras.
Si las partículas pudieran ser guiadas hacia un tumor, su localización podría ser descubierta en una etapa más temprana. Las partículas también podrían ser utilizadas para asegurar que los medicamentos alcancen el área focalizada de una enfermedad. Mediante la colocación de imanes fuera del cuerpo, las partículas permanecerían en esas áreas. Las sustancias activas adheridas a las partículas permanecerían, por lo tanto, en los tejidos que las necesitan, en lugar de ser arrastradas a la corriente sanguínea.
Aunque en el laboratorio es posible la creación de partículas de magnetita, estas partículas sintéticas, a diferencia de sus contrapartes biológicas, contienen una pequeña cantidad de oxígeno. El equipo de Damien Faivre descubrió esto cuando estudiaba la estructura del cristal y la composición de las nanopartículas magnéticas, usando radiación de rayos X de las instalaciones de radiación de sinchrotron BESSY, con base en Berlín.
PROBLEMAS DE PRODUCCIÓN
Pero también se presentan otros problemas con la producción sintética de nanopartículas magnéticas: “Hasta donde sabemos, los procesos químicos disponibles no pueden producir, en condiciones ambientales amigables, nanopartículas magnéticas de igual tamaño y forma”, explica Faivre. En este caso, ambientalmente amigable significaría que las partículas podrían ser producidas a la temperatura de la habitación, con presión atmosférica normal y sin solventes dañinos, en lugar de condiciones de energía intensiva, de alta presión y de alta temperatura.
Con esto en mente, Faivre quiere comprender cómo se las arregla la naturaleza para producir las partículas magnéticas uniformes. “La naturaleza modela el material hasta el más pequeño detalle, literalmente hasta la unidad más pequeña, la molécula”, dice. “Podemos aprender de la naturaleza tratando de comprender cómo los modelos naturales influyen en los complejos fenómenos físicoquímicos y biológicos. Tan pronto como los procesos biológicos sean plenamente comprendidos, debería ser posible copiarlos, a fin de desarrollar nuevos materiales”.
Los investigadores han hecho ya algunos descubrimientos iniciales acerca de la forma en que la naturaleza produce nanopartículas magnéticas. Por medio de un proceso biológico llamado biomineralización –otra manera de decir crecimiento biológicamente controlado del cristal-, las bacterias magnetotácticas controlan el crecimiento de las partículas magnéticas. Entre 20 y 30 proteínas llamadas proteínas magnetosoma son las responsables de este proceso. Los biólogos han descubierto también qué secciones del genoma bacterial contienen la información genética que codifica las proteínas magnetosoma.
EXÁMENES DE LABORATORIO REVELAN FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS INDIVIDUALES
Ahora, Demian Faivre y su equipo esperan identificar los papeles de las proteínas individuales y sus componentes en la biomineralización. Esencialmente, hay dos métodos que pueden usar en esta búsqueda. La primera involucra la generación de “deletion mutans”: bacteria en la cual un gen determinado ha sido desactivado. Con excepción de este único gene inactivo, el genoma del mutante es idéntico al del tipo salvaje. En tanto que los investigadores estudian las diferencias entre las bacterias con el gene inactivo y sus contrapartes no alteradas, puedeN aprender sobre el papel del gene específico.
Ellos verifican si el deletion mutans produce magnetosomas; y, si es así, si son de la misma forma y tamaño que las del tipo silvestre. Este método arroja valiosos resultados; pero, “dado que las bacterias magnetotácticas crecen muy lentamente, el proceso in vivo es muy prolongado”, se lamenta Faivre. Estudiar un simple gene o proteína podría llevarse hasta dos años.
Por esta razón, su equipo utiliza un segundo método, más eficiente, para arrojar luz sobre las funciones de las proteínas magnetosomas. Ellos insertan el gene de la relevante proteína en el denoma de la bacteria de rápido crecimiento, Escherichia coli. La maquinaria celular de este microbio, inducido por su información genética a la producción de proteínas, resulta particularmente estimulado para la manufactura de grandes cantidades de las proteínas magnetosomas implantadas. Esto es necesario para que los investigadores puedan llevar a cabo la misma concentración de proteína en el tubo de ensayo, de la misma forma en que ocurre en la muchísimo más pequeña bacteria magnetotáctica.
Finalmente, los investigadores aíslan la proteína y estudian sus propiedades en el tubo de ensayo. Para este objetivo, mezclan la proteína con compuestos de hierro que, lo mismo que la magnetita, contienen hierro ambivalente o trivalente, que altera de manera gradual el pH de la solución, hasta que sus componentes son precipitados y se forman las partículas de magnetita. Durante este proceso, la proteína influye en el tamaño o la figura de las partículas en formación. “Este método –dice Faivre- nos permite estudiar una proteína en el lapso de tres o cuatro meses”.
BIOMINERALIZACIÓN
Desde el primer momento queda patente que no todas las proteínas de magnetosoma tienen la misma importancia para la producción de magnetosomas, de modo que, antes de iniciar el estudio de las proteínas individuales, los investigadores recaban información sobre cuáles pueden resultar más idóneas para jugar papeles clave en la biomineralización. Esto ahorra tiempo, ya que evita experimentos innecesarios en los tubos de ensayo.
Una de las herramientas de revisión utilizada para la preselección de proteínas es el software bioinformático. Esto permite al equipo identificar similitudes entre los genes de diferentes bacterias magnetotácticas. Tales similitudes indican importantes genes y proteínas todavía más importantes. Otro método utilizado es la ingeniería biocombinatoria. Aquí, los investigadores estudian qué péptidos o porciones de proteína se quedan en la superficie de los cristales de magnetita. Estos péptidos permiten el contacto directo entre las proteínas y las partículas de magnetita, y podrían, por lo tanto, ser componentes de importantes proteínas magnetosomas.
Y, ya por último, el contacto directo con la partícula magnética implicaría que la proteína relevante debe tener una función importante. Los péptidos son entonces trasladados a secuencias de ADN –esto es, al lenguaje de la información genética. Con el uso de estas secuencias, un programa computacional escanea el genoma de bacterias magnetotácticas, para identificar las proteínas asociadas.
UNA PROTEÍNA QUE CONTROLA EL TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS
Hasta ahora, investigadores japoneses y norteamericanos han clarificado el papel de una proteína magnetosoma en la síntesis de partículas de magnetita dentro de los magnetosomas. La proteína lleva el insignificante nombre de Mms6, y se encuentra solamente en las bacterias magnetotácticas. El Mms6 se localiza en la membrana que rodea a la partícula de magnetita, y los científicos han descubierto que codetermina el tamaño de las nanopartículas magnéticas. Es, hasta la fecha, la única proteína de la que se sabe tiene un papel decisivo in vitro, para controlar el tamaño de la partícula. A los científicos todavía les falta descubrir algunas proteínas que determinen la forma de los cristales de magnetita.
Mientras estudiaban el Mms6, los investigadores se encontraron con otro fenómeno significativo: el péptido localizado en un extremo de la proteína, que consta de 25 aminoácidos y que es, por lo tanto, sólo una pequeña parte del Mms6, influye en el tamaño de la partícula de magnetita. Faivre explica que este descubrimiento es de vital importancia, “porque la producción masiva artificial de proteínas, mediante el uso de organismos huéspedes es limitada, en tanto que los péptidos sintéticos se pueden producir en cantidades prácticamente ilimitadas”.
Mientras tanto, prosigue la investigación de proteínas involucradas en la formación de las nanopartículas magnéticas. “Hasta la fecha, 20 proteínas candidatas han sido identificadas en la membrana magnetosoma de la bacteria magnetotáctica M. gryphiswaldense, y se considera que las mismas tienen efectos particulares sobre el tamaño y forma de los cristales de magnetita”, explica Faivre.
Algunas de estas candidatas son actualmente objeto de estudio por parte del equipo de Faivre, en el Instituto Max Planck, en Postdam. Asimismo, el equipo investiga la forma en que los magnetosomas individuales se unen para formar una cadena, de modo que, poco a poco, se forma la pequeña agua del compás para guiar al microbio hacia su alimento. Los científicos han demostrado que la formación de la cadena implica una compleja interacción de procesos y fuerzas magnéticas genéticamente controlados. Uno de los métodos utilizados fue el “espectroscopio de resonancia ferromagnética”, que es parecido al de resonancia magnética nuclear.
El FMR, como se le llama por sus siglas en inglés, permite examinar las propiedades magnéticas de los cuerpos sólidos. Puede mostrar, por ejemplo, la orientación preferida, si es que la tiene, de un cristal imantado. Asimismo, permite a los científicos estudiar tanto las partículas individuales de magnetita, como las cadenas de partículas.
PAPELES DE LAS PROTEÍNAS
Faivre y sus colegas esperan que su investigación identifique todas las proteínas y otros componentes biológicos (lípidos especialmente) que dirigen la biomineralización de las partículas de magnetita. Para ellos, la clave radica en entender los diferentes papeles que juegan las proteínas en la síntesis de las partículas.
“Entonces –dice el bioquímico- sería casi posible hacer partículas magnéticas con medidas de 20, 50 ó 100 nanómetros de diámetro, especificando incluso que deberían ser –digamos- redondas o en forma de aguja”. Sería simplemente el caso de seleccionar las proteínas relevantes, como los objetos de una caja de herramientas. Por ahora, se trata sólo de un sueño, pero el equipo de investigación de Postdam ha dado los primeros pasos para hacerlo realidad”.
GLOSARIO:
Magnetosoma: partícula magnética rodeada por una membrana. Cada partícula mide menos de 100 nanómetros; diferentes tipos de bacteria magnetotáctica las producen en varias formas y tamaños característicos.
Magnetotaxis: la habilidad de algunas formas de vida para orientarse a lo largo del campo magnético de la Tierra.
Imagen de resonancia magnética, también llamada resonancia magnética nuclear: es un procedimiento basado en el hecho de que algunos átomos, tales como los del hidrógeno, tienen un momento magnético. Su comportamiento en un campo magnético depende del tejido en el cual estén localizados. Esto permite la identificación de diferentes tipos de tejidos. Se pueden utilizar ciertas sustancias magnéticas, con el fin de acentuar el contraste entre ellos.
Biomineralización: los organismos utilizan sustancias orgánicas e inorgánicas para producir, con mucha precisión, minerales inórganicos y materiales compuestos. El control de esta producción se lleva a cabo mediante procesos bioquímicos. Ejemplos notables, aparte de los cristales de magnetosomas, incluyen el nácar y las armazones sílicas de diátomos.
