Investigadores que utilizaron tecnología de rayos X de última generación en el Departamento de Advanced Photon Source Energy (APS) de EEUU pudieron dar una mirada al interior de varios insectos. La recopilación de los resultados va más allá de aprender acerca de la fisiología y la biología de los insectos
Lo que encontraron podría servir de modelo para un material usable en ligamentos artificiales, una manera sin químicos de proteger los cultivos de los insectos y una nueva visión sobre cómo funcionan los músculos humanos.
¿Tendones de tejido de seda?
Mucha gente conoce los insectos artificiales que se usan como señuelos de pesca con mosca. Pero pocos saben que hay insectos así, reales, que hacen girar una seda adhesiva bajo el agua para construir redes para capturar alimentos y para construir una vivienda que los proteja. La estructura química de la seda permite que la sustancia se adhiera a la mayoría de las sustancias bajo el agua.
«En realidad no es mucho más fuerte que un súper pegamento, pero trata de poner súper pegamento en la bañera sin haber tenido la oportunidad de secarla», dice Jeff Yarger, profesor de química, bioquímica y física en la Universidad Estatal de Arizona y autor de un estudio en biomacromoléculas que examinaron la seda de los insectos, del orden Trichoptera.
El diseño de una versión sintética de esta seda podría crear un adhesivo que pegue bajo el agua para usar en puntos de sutura en líquidos. Pero aún más valioso es su uso potencial como los primeros tendones y ligamentos artificiales humanos. Las largas fibras de la seda de la mosca hacen que se comporte muy similar al material de colágeno utilizado en los tejidos conectivos, y su capacidad de adherirse en condiciones de humedad hacen que sea viable como un implante interno.
Para entender lo que hace que este material sea impermeable y similar al colágeno, Yarger y su equipo tuvieron que examinar los biopolímeros, pequeñas estructuras moleculares que sirven como bloques de construcción para la seda, usando el BioCARS sector 14 en el APS del Laboratorio Nacional Argonne.
Las estructuras cristalinas en la seda son tan pequeñas que Yarger dice que es imposible observar la composición molecular de la seda con los rayos X convencionales. «Sin embargo, el análisis de sincrotrón en la APS nos permite hacer esto», dijo Yarger.
Encontraron que a nivel molecular, la seda de estos insectos tricópteros difiere mucho de otras sedas hiladas en ambientes terrestres, tales como las de las arañas o gusanos de seda. En esta seda, después de que se crea la cadena de aminoácidos que constituye la seda, la cadena es unida por moléculas de fosfato. Los fosfatos pueden actuar como agentes de unión y se utilizan para hacer algunas pinturas resistentes al agua.
«El siguiente paso es ver cómo podemos imitar a la naturaleza con este nuevo tema que hemos descubierto», dice Yarger.
Poner saltamontes a dieta
Los saltamontes se comen los cultivos, pero los agricultores pueden pronto tener una manera sin químicos de proteger sus plantas de las voraces plagas, volviendo su ciclo de crecimiento natural en contra de ellos.
Scott, Kirkton, profesor asociado de biología en el Union College observó que justo antes de la muda, un proceso de crecimiento en el cual un insecto cambia de piel con el fin de madurar hasta su próxima etapa de la vida, las entrañas de un saltamontes se convierten en, esencialmente, demasiado grandes para su capa externa. Esto comprime el sistema traqueal de saltamontes y hace que le sea difícil respirar. Como resultado de esto, el equipo vio una reducción en el número de saltos por minuto en los saltamontes que estaba por mudar frente a los que no lo estaban, lo que sugiere que un sistema respiratorio comprimido provoca una reducción en la movilidad.
A partir de esto, la hipótesis de Kirkton es que la falta de suministro de oxígeno al cuerpo del saltamontes es un disparador para la muda. Almacenando granos o cosechas a niveles bajos de oxígeno limitaría el oxígeno que los insectos reciben, y que desencadena la muda. El ciclo resultante de retraso en el crecimiento crearía plagas enanas con apetitos enanos, permitiendo que más cultivos completen su camino a los estantes de los supermercados.
«Un tiempo de desarrollo más rápido produciría adultos más pequeños con un apetito reducido, y reduciría la vida útil global del insecto,» dijo Kirkton.
La clave para descubrir la conexión entre el oxígeno y el ciclo de muda vino de uso que hizo Kirkton de la línea de luz de contraste de fase en el sector 32 de la APS. Esa imagen de alta resolución, con datos recogidos como por una instantánea, primitió la capacidad de mirar profundamente en el material, aportando una capacidad única para visualizar y cuantificar el funcionamiento del sistema respiratorio de un insecto vivo intacto en tiempo real.
Kirkton publicó recientemente en el Journal of Comparative Physiology (Journal de Fisiología Comparada) su visión sobre el sistema respiratorio de la langosta americana durante los períodos adecuados antes de la muda. Si bien Kirkton dice que necesita realizar más investigación, piensa que este resultado es aplicable a una amplia gama de insectos, lo que significa que puede estar en camino un método de control de plagas universal y libre de químicos.
Polillas musculosas
Aunque algunos asiduos al gimnasio no quieren admitirlo, las susurrantes alas de una polilla y los bíceps abultados humanos no son tan diferentes. Lo que aprendemos de ellas puede enseñarnos más sobre la mecánica de músculo humano para mejorar potencialmente los tratamientos de fisioterapia y comprender mejor las enfermedades que atacan el sistema muscular.
Pero logísticamente, mirar las estructuras de las proteínas dentro de las células musculares de una polilla no es tarea fácil. El montaje del experimento involucró pegar una polilla por el tórax a una estructura de soporte, fijar una serie de electrodos a sus músculos de vuelo para activar sus alas a batir a un ritmo rápido, y luego con una de las más poderosas fuentes de luz del mundo examinar la estructura molecular del movimiento de los músculos en tiempo real. Los resultados arrojan luz sobre más que la mecánica de vuelo de la polilla: puede redefinir nuestra comprensión de cómo funcionan nuestros propios músculos.
Para llevar a cabo esta investigación, Tom Daniel, profesor de biología en la Universidad de Washington y autor de un estudio en Science que examinó el ciclo de puente cruzado en los músculos de las polillas, tuvo que buscar a Thomas Irving. Irving es el director del Equipo de Acceso Colaborativo de Biofísica en el sector 18 de la APS. Daniel dice que es gracias a la magia de Irving —su experiencia en la biofísica y la experiencia de «conectar artilugios a los insectos»— ayudó a Daniel a armar este experimento.
Lo que encontraron fue que cuando una polilla bate sus alas, está sucediendo una especie de tira y afloja a nivel molecular. Los filamentos de miosina tiran de los filamentos de actina para contraer una cadena muscular, luego se desprenden para alargar la cadena. Cuando se conectan y contraen, los filamentos forman una estructura tipo celosía, que es «gomosa», y guarda energía elástica. Es como un trampolín microscópico, esperando que algo rebote en él. Así que cuando un músculo se contrae, está actuando más como un resorte a la espera de liberar su energía que como un motor.
Utilizando la APS, Daniel y su equipo observaron que la parte superior del tórax de la polilla, que es el músculo que produce el movimiento de las alas, era más frío en la parte superior que en la parte inferior. La parte interesante fue que en las regiones más frías los filamentos se mantuvieron conectados por más tiempo, manteniendo la estructura elástica durante un período de tiempo más extenso. La energía elástica almacenada en estas regiones más frías se libera al final de las fases de alargamiento o acortamiento del músculo. Piense en esto como una pelota rebotando finalmente en ese trampolín. Este proceso de transferencia de energía permite que la polilla vuele sin gastar una gran cantidad de energía.
Daniel dice que la presencia de la energía elástica no fue una sorpresa.
«No fue una cuestión de si hay o no energía elástica que participan en el vuelo», dijo Daniel. El costo en energía de acelerar y desacelerar rápidamente las alas durante el vuelo es enorme, y los insectos no podrían mantener ese tipo de producción de energía.
Sin embargo, este estudio revela un nuevo mecanismo para el almacenamiento de la energía elástica, que se basa en las diferencias de temperatura. A nivel molecular, el músculo de una polilla no es muy diferente al de un ser humano, lo que significa que la energía elástica puede cumplir un papel mucho más importante en la función muscular humano que lo que los investigadores pensaban.
Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti
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