Divulga tu Ciencia (IV)

Divulga tu Ciencia es la sección donde nuestros miembros de CENL nos hablan sobre la investigación que realizan en Países Bajos. Hoy, Diego López Barreiro nos habla sobre las fascinantes propiedades de los materiales bioinspirados y sus interesantes aplicaciones.

Diego López Barreiro

Diego López Barreiro es ingeniero químico por la Universidad de Santiago de Compostela y realizó un doctorado en biorrefinerías en la Universidad de Gante. Actualmente es investigador post-doctoral dentro del programa Marie Curie en el Centro de Biotecnología de Delft (Delft Biotechnology Center, Países Bajos). Su investigación se centra en el desarrollo de materiales a partir de biomasa y biopolímeros estructurales (especialmente proteínas) usando métodos experimentales y computacionales.

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La naturaleza, la mejor inspiración para crear materiales sostenibles

Comenzamos con una pregunta para ti: ¿cuál es el material tecnológicamente más avanzado en la fotografía? ¿El portátil, el teléfono, el ratón, la cámara, los auriculares? Pues ninguno de esos. Aunque no lo parezca, la respuesta es, con mucha diferencia, la planta. Comparado con los aparatos electrónicos de la imagen, la planta es un material que se autoensambla, que se autorrepara, que se autorreplica… Además, es renovable, capaz de sentir sus alrededores y de responder a cambios en el ambiente de forma autónoma y sin necesidad de conectarse a la electricidad.

Con este ejemplo pretendo demostrar que la naturaleza es la mejor ingeniera posible, por llevar millones de años de ventaja en la tarea de crear y optimizar un número extraordinariamente alto de materiales elegantes, con altas prestaciones y resistentes a la par que ligeros. Lo más sorprendente de los materiales naturales es que consiguen alcanzar esas propiedades a la vez que se forman en condiciones ambientales de temperatura y presión. Eso contrasta claramente con la mayoría de los materiales sintéticos desarrollados por el ser humano, que suelen necesitar procesos químicos complejos y a menudo contaminantes para poder producirse. La naturaleza dota a sus materiales de una elaborada estructura, mayoritariamente formada por biopolímeros (por ejemplo, proteínas o carbohidratos), y mezclados a veces con componentes inorgánicos (como la calcita o la sílice). Hace esto siguiendo unas instrucciones almacenadas en el ADN de las células que producen esos materiales. En esas condiciones austeras, la naturaleza consigue fabricar materiales que permiten distribuir esfuerzos, detener el avance de grietas, o amortiguar impactos, y que combinan dos propiedades difíciles de alcanzar en materiales sintéticos: producción a grande escala y diseño con resolución atómica.

Uno de los principales ejemplos de esos materiales biológicos es la madera, que es uno de los elementos más usados en las construcciones humanas gracias a su conjunción de ligereza y resistencia mecánica. Otro ejemplo son los mejillones, que producen un pegamento proteico que les permite adherirse a rocas en la costa, unas superficies irregulares y continuamente expuestas a condiciones extremas (viento, fuerte oleaje, o alta salinidad) que serían una pesadilla para cualquier adhesivo sintético. La seda de araña, los huesos del esqueleto, o las conchas de los moluscos, son otros ejemplos de materiales naturales que a menudo superan en órdenes de magnitud las propiedades sintéticas de los materiales sintéticos hechos por los seres humanos. Estos y otros ejemplos fascinan a muchos científicos e ingenieros, que en las últimas décadas están a la vanguardia del desarrollo de materiales con estructuras inspiradas en los materiales naturales, lo que se conoce como diseño bioinspirado. Dichos materiales tienen usos en campos como la biomedicina, el almacenamiento de energía, o las infraestructuras.

Las proteínas estructurales son especialmente prometedoras para el desarrollo de nuevos materiales bioinspirados. Se llaman proteínas estructurales a aquellas que proporcionan un andamiaje que sirve de hábitat o protección para células u organismos vivos. Algunos ejemplos de esas proteínas son la seda, el colágeno, la elastina o la queratina. La ventaja de este tipo de proteínas es que suelen estar constituidas por unidades altamente repetitivas (pequeños bloques de aminoácidos). Esas piezas pueden usarse como piezas de Lego y mezclarse de muchas maneras en el laboratorio, permitiendo la creación de nuevas proteínas estructurales no existentes en la naturaleza que combinen propiedades de diferentes proteínas, como la dureza de la seda y la elasticidad de la elastina. Esto está expandiendo nuestra capacidad de producir nuevos materiales funcionales y complejos, generalmente biocompatibles y biodegradables. Una vez diseñadas esas nuevas proteínas estructurales, podemos usar técnicas biotecnológicas para introducir en bacterias el ADN con las instrucciones para su fabricación, convirtiendo las bacterias en microfactorías de esas nuevas proteínas estructurales.

Un inconveniente a la hora de desarrollas estas proteínas es lo laborioso que resulta crearlas en el laboratorio. Afortunadamente, gracias a los avances en técnicas de análisis y de simulación, somos cada vez más capaces de desarrollar modelos en el ordenador para estudiar y predecir las propiedades de esas nuevas proteínas estructurales. Eso permite seleccionar proteínas estructurales con propiedades optimizadas, antes siquiera de producirlas experimentalmente en el laboratorio. Esto, combinado con los continuos avances en técnicas de manufactura de materiales (como la impresión 3D) o los avances en biología sintética que permiten integrar materiales y microorganismos con funciones preprogramadas para crear los llamados materiales vivos (como el cemento que se autorrepara) hacen de este un campo muy prometedor. Un campo de estudio con la capacidad de crear en las próximas décadas materiales en la intersección entre la biología, la ingeniería y la computación, que ni tan siquiera somos capaces de imaginar a día de hoy.

Nota: Este artículo forma parte de las actividades de divulgación del proyecto “Structural proteins for biomedical materials”, financiado por el programa marco Horizon 2020 de la Unión Europea, bajo el programa de investigación e innovación Marie Skłodowska-Curie Actions (beca número 892369).

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