El proceso bioquímico mediante el cual las cianobacterias adquieren nutrientes de las rocas del desierto de Atacama en Chile ha inspirado a los ingenieros de la Universidad de California en Irvine a pensar en nuevas formas en que los microbios podrían ayudar a los humanos a construir colonias en la Luna y Marte.
Investigadores del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UCI y del Departamento de Biología de la Universidad Johns Hopkins utilizaron microscopía electrónica de alta resolución y técnicas avanzadas de imágenes espectroscópicas para obtener una comprensión precisa de cómo los microorganismos modifican tanto los minerales naturales como las nanocerámicas sintéticas. Un factor clave, según los científicos, es que las cianobacterias producen biopelículas que disuelven las partículas magnéticas de óxido de hierro dentro de las rocas de yeso, transformando posteriormente la magnetita en hematita oxidada.
Los hallazgos del equipo, que son el tema de un artículo publicado recientemente en la revista Materiales Hoy Biografía, podría proporcionar un camino para nuevos métodos de minería biomimética. Los autores también dijeron que ven los resultados como un paso hacia el uso de microorganismos en la impresión 3D a gran escala o la fabricación aditiva a una escala que sea útil en la ingeniería civil en entornos hostiles, como los de la Luna y Marte.
«A través de un proceso biológico que ha evolucionado durante millones de años, estos pequeños mineros excavan rocas, extrayendo los minerales que son esenciales para las funciones fisiológicas, como la fotosíntesis, que permiten su supervivencia», dijo el autor correspondiente David Kisailus, profesor de materiales de la UCI. ciencia e Ingenieria. «¿Podrían los humanos usar un enfoque bioquímico similar para obtener y manipular los minerales que consideramos valiosos? Este proyecto nos ha llevado por ese camino».
El Desierto de Atacama es uno de los lugares más secos e inhóspitos de la Tierra, pero croococcidiopsisuna cianobacteria encontrada en muestras de yeso recolectadas allí por el equipo de Johns Hopkins, ha desarrollado «las adaptaciones más sorprendentes para sobrevivir en su hábitat rocoso», dijo la coautora Jocelyne DiRuggiero, profesora asociada de biología en la Universidad de Baltimore.
«Algunos de esos rasgos incluyen la producción de clorofila que absorbe fotones de color rojo lejano y la capacidad de extraer agua y hierro de los minerales circundantes», agregó.
Usando microscopios electrónicos avanzados e instrumentos espectroscópicos, los investigadores encontraron evidencia de los microbios en el yeso al observar cómo se transformaban los mismos minerales que contenía.
«Las células de cianobacterias promovieron la disolución de la magnetita y la solubilización del hierro al producir abundantes sustancias poliméricas extracelulares, lo que llevó a la disolución y oxidación de la magnetita a hematita», dijo DiRuggiero. «Producción de sideróforos [iron-binding compounds generated by bacteria and fungi] se mejoró en presencia de nanopartículas de magnetita, lo que sugiere su uso por parte de las cianobacterias para adquirir hierro de la magnetita».
Kisailus dijo que la forma en que los microorganismos procesan los metales en su desolado hogar le hizo pensar en nuestras propias prácticas de minería y fabricación.
«Cuando extraemos minerales, a menudo terminamos con minerales que pueden presentar desafíos para la extracción de metales valiosos», dijo. «Con frecuencia necesitamos someter estos minerales a un procesamiento extremo para transformarlos en algo de valor. Esa práctica puede ser económica y ambientalmente costosa».
Kisailus dijo que ahora está considerando un enfoque bioquímico utilizando análogos naturales o sintéticos de sideróforos, enzimas y otras secreciones para manipular minerales donde actualmente solo funciona una gran trituradora mecánica. Y dando un salto desde aquí, dijo que también podría haber una forma de hacer que los microorganismos empleen capacidades bioquímicas similares para producir un material de ingeniería bajo demanda en lugares menos que convenientes.
«Lo llamo ‘formación lunar’ en lugar de terraformación», dijo Kisailus. «Si desea construir algo en la luna, en lugar de gastar dinero en personas que lo hagan, podríamos tener sistemas robóticos que impriman medios en 3D y luego hacer que los microbios lo reconfiguren en algo de valor. Esto podría hacerse sin poner en peligro vidas humanas».
Agregó que los humanos no siempre necesitan usar enfoques edisonianos para descubrir cómo hacer las cosas.
«Este es el tema principal de mi laboratorio de biomimética y materiales nanoestructurados. ¿Por qué tratar de reinventar la rueda cuando la naturaleza la perfeccionó durante cientos de millones de años?» Kisailus dijo. «Solo tenemos que extraer los secretos y los planos de lo que hace la naturaleza y aplicarlos o adaptarlos a lo que necesitamos».
Este proyecto fue financiado por la Oficina de Investigación del Ejército y contó con la ayuda de instrumentos puestos a disposición por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. El equipo de investigación también incluyó a Wei Huang, un erudito postdoctoral en el grupo de laboratorio de Kisailus; Taifeng Wang, Ph.D., quien recientemente se graduó de UCI y ahora trabaja en Intel; y César Pérez-Fernández en el Departamento de Biología de la Universidad Johns Hopkins.
