Un equipo interdisciplinario de biólogos, químicos e ingenieros de la Universidad de Portsmouth se ha convertido en el primero en cultivar con éxito un biomaterial inspirado en la lapa con una fuerza extrema.

Los pequeños moluscos acuáticos parecidos a caracoles utilizan una lengua erizada de diminutos dientes microscópicos para raspar la comida de las rocas y llevársela a la boca. Estos dientes contienen un compuesto duro pero flexible, que en 2015 resultó ser el material biológico más fuerte conocido, mucho más fuerte que la seda de araña y comparable a las sustancias hechas por el hombre, incluida la fibra de carbono y el Kevlar.

Ahora, el equipo ha imitado con éxito en un laboratorio la formación de dientes de lapa y lo ha utilizado para crear un nuevo biomaterial compuesto. El estudio sugiere que tiene el potencial de convertirse en algo que pueda rivalizar con la fuerza y flexibilidad de los sintéticos, pero que se elimine sin generar dañinos productos de desecho.

El autor principal, el Dr. Robin Rumney, de la Facultad de Farmacia y Ciencias Biomédicas de la Universidad, dijo: "Se usan ampliamente los compuestos totalmente sintéticos como el Kevlar, pero los procesos de fabricación pueden ser tóxicos y los materiales difíciles y costosos de reciclar.

"Aquí tenemos un material que es potencialmente mucho más sostenible en términos de cómo se obtiene y fabrica, y al final de su vida puede biodegradarse".

Se cree que el secreto de la fuerza del diente de la lapa es una estructura única que contiene una combinación de fibras flexibles y apretadas de un material llamado quitina, intercaladas con finos cristales de un mineral que contiene hierro llamado goethita. Esas fibras se entrelazan entre sí de la misma manera que las fibras de carbono se pueden usar para fortalecer el plástico.

Los investigadores desarrollaron métodos que permitieron que estas poblaciones de células crecieran fuera de su entorno natural en vidrio recubierto de suero, donde depositaron quitina y óxido de hierro al igual que en el diente de lapa.

Sorprendentemente, después de dos semanas se autoorganizaron en estructuras que se asemejaban al órgano de la lapa, conocido como rádula, que forma los dientes. Este tipo de regeneración extremadamente poderosa también se ha observado en las esponjas, pero carecen de la compleja disposición de tejidos y órganos que se encuentran en las lapas y otros moluscos.

El Dr. Rumney incluso encontró formas de hacer crecer cintas de dientes a partir de muestras de tejido y dientes individuales de poblaciones que contienen células madre.

"Pasé seis meses configurando este proceso", agregó. "Pasé por todo tipo de permutaciones que se me ocurrieron sobre lo que las células podrían necesitar y cómo crecerían. Es muy diferente al cultivo de bacterias o células cancerosas que comúnmente crecen en un entorno de laboratorio, por lo que tuvimos que averiguar desde cero qué funcionaría".

Después de replicar con éxito la formación del diente de lapa, el equipo pudo producir muestras de biomaterial de medio centímetro de ancho. Hicieron esto al mineralizar una lámina de quitina, que es un subproducto de desecho de la industria pesquera que se encuentra en los exoesqueletos de crustáceos, cangrejos y camarones.

Imagen: Biomaterial inspirado en la lapa teñido con tinte azul de Prusia que se une al hierro

Ahora que se ha establecido la prueba de concepto, el Dr. Rumney y el equipo quieren explorar la posibilidad de que estos minidiscos se puedan ampliar y fabricar en masa.

Dijo: "Nuestro próximo paso es encontrar otras formas de lograr que se produzca la formación de hierro, por lo que estamos estudiando las secreciones de las células de lapa para comprenderlo mejor. Si funciona realmente bien, entonces ya tenemos las lecturas de genes del órgano para que podamos extraer los genes de interés y, con suerte, ponerlos en bacterias o levaduras para cultivarlos a escala".

"Obviamente, en este momento tenemos una crisis de plásticos en los océanos, y creo que es una buena simetría que podamos aprender de una criatura marina cómo protegerlos mejor reemplazando el uso de plásticos con un sustituto biológico".

"Este ha sido un proyecto verdaderamente interdisciplinario, con el apoyo total de biólogos marinos y la participación activa de nuestro bioinformático residente que cuantificó todas las lecturas de genes de la rádula que forma los dientes. Tampoco podríamos haber alcanzado nuestros objetivos sin los ingenieros que llevaron a cabo el análisis de rayos X y las pruebas mecánicas, y los químicos que ayudaron a desarrollar el material".

El autor principal del artículo, el profesor Darek Gorecki de la Facultad de Farmacia y Ciencias Biomédicas de la Universidad de Portsmouth, dijo: "Comencé esto como un proyecto de curiosidad con el desafío de ver si cultivamos células a partir de la rádula de lapa utilizando principios aplicados en mi laboratorio para cultivar células de mamíferos".

"No fue solo una investigación de cielo azul, donde las aplicaciones del mundo real no son evidentes de inmediato, fue casi un proyecto de pastel en el cielo. Cuando funciona, aquí es donde la ciencia está en su mejor momento".

Los hallazgos se han publicado hoy en la revista Nature Communications: Biomimetic generation of the strongest known biomaterial found in limpet tooth

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