Bellezas microscópicas: las diatomeas y su potencial como nanomateriales

Portada: https://fineartamerica.com/featured/5-diatoms-m-i-walker.html?product=puzzle&puzzleType=puzzle-18-24

No cabe duda que el mundo está repleto de obras de arte: Da Vinci, Miguel Ángel, Gaudí, Picasso, entre otros grandes maestros que han plasmado en sus pinturas, construcciones y esculturas la belleza más sublime.

No obstante, las maravillas creadas por manos humanas no rivalizan de ninguna manera con las maravillas de la naturaleza: flores de caprichosas formas y colores, animales de pelajes y plumajes exuberantes, insectos de brillantes armaduras e increíbles patrones. Y microorganismos como las diatomeas, claro.

Es difícil mirar la fotografía de una diatomea y no admirarse de la delicada estructura que pareciera tallada por las manos del más hábil artista. Sus formas variadas e intrincadas las convierten en microorganismos únicos y llamativos, no solo por su belleza sino por su potencial en el área de la nanotecnología. Exploremos a estas maravillosas microalgas más a fondo.

Diatomeas vistas bajo microscopio de luz

¿Qué son?

Se trata de algas unicelulares que pueden adaptarse y crecer en distintos ambientes como océanos y cuerpos de agua dulce, incluidas las aguas residuales. Se adaptan a diferentes climas y áreas geográficas. Su origen data del periodo Jurásico (sí, convivían con los dinosaurios) y son microorganismos con una gran diversidad (con alrededor de 200000 especies). Las diatomeas constituyen el fitoplancton más dominante en nuestras aguas, siendo un pilar fundamental de la cadena alimenticia.

Las diatomeas tienen la habilidad de incorporar silicio en su estructura, lo cual ha llamado la atención de los investigadores desde el siglo XIX. Gracias a esta habilidad, su pared celular, conocida como frústula, es enteramente de sílice y les sirve como protección.

¡Santas frústulas, Batman!

La estructura de las frústulas consiste en varias capas de texturas variadas, ordenadas y con poros dispuestos también en orden, los cuales aumentan su tamaño desde la capa más interna hacia la más externa. La frústula se forma gracias a un proceso de biomineralización que ocurre dentro de la célula en sitios llamados vesículas de deposición de sílice.

Class: Bacillariophyceae
Diatomeas vistas al microscopio electrónico (fuente: https://biologyease.com/class-bacillariophyceae/)

Tomó miles de años que las diatomeas pudieran crear una estructura tan delicada y compleja para protegerse de las variaciones de luz y altas temperaturas ambientales. La estructura de la frústula cambia su naturaleza intrincada de acuerdo a los factores ambientales y a la eficiencia en la absorción de silicio que tenga la diatomea.

Por su dimensión, geometría y distribución de sus poros, se ha considerado a las diatomeas para posibles aplicaciones en nanotecnología, electrónica y óptica.

Aplicaciones en nanotecnología

El estudio de las aplicaciones nanotecnológicas que pueden tener las diatomeas y sus frústulas es un área de estudio bastante intrigante. En principio, las frústulas no son adecuadas para las aplicaciones electrónicas debido a la capacidad aislante del sílice. Sin embargo, existen varios procedimientos para transformar las frústulas en materiales electroactivos, preservando su estructura.  

Las frústulas tienen propiedades ópticas y semiconductoras, por lo cual son candidatas para actuar como materiales optoelectrónicos. Adicionalmente, las diatomeas pueden incorporar el material deseado (germanio, titanio, incluso cinc) en sus frústulas, lo que las vuelve potencialmente útiles para obtener biosensores y biorreactores.

Como nanopartículas, las diatomeas pueden servir para filtrar desechos y compuestos químicos de las aguas residuales. Dado que el 80% de las aguas residuales alrededor del mundo son descargadas en ríos, estas aguas industriales podrían servir como suplemento nutricional para los diatomeas. De esta forma, el agua no tendría exceso de  materia orgánica al momento de soltarla en ríos y resultaría menos contaminante. Las diatomeas también son capaces de absorber metales pesados, asimilarlos y detoxificar las aguas.

¡Las diatomeas son maravillosas! ¿Y ahora qué?

Se han visto interesantes resultados en pruebas de campo al experimentar con diatomeas pero para que sea una realidad y no solo meros experimentos, se necesitan más emprendedores en el área de las diatomeas para que sean el nexo entre la industria y la academia.

Adicionalmente, entender y modificar los procesos de biomineralización en las diatomeas ayudaría a incrementar sus potenciales aplicaciones en nanotecnología.

Se necesita también el desarrollo de infraestructura para investigación, y modificar ciertas políticas a nivel nacional e internacional. Así las diatomeas y sus maravillosas frústulas tendrán su oportunidad de ayudarnos a remediar problemas como la contaminación de las aguas. 😀

Referencias

Mishra, M., Arukha, A. P., Bashir, T., Yadav, D., & Prasad, G. B. K. S. (2017). All new faces of diatoms: Potential source of nanomaterials and beyond. Frontiers in Microbiology, 8(JUL), 1–8.

Ragni, R., Cicco, S., Vona, D., Leone, G., & Farinola, G. M. (2017). Biosilica from diatoms microalgae: Smart materials from bio-medicine to photonics. Journal of Materials Research, 32(2), 279–291.

Sharma, N., Simon, D. P., Diaz-Garza, A. M., Fantino, E., Messaabi, A., Meddeb-Mouelhi, F., … Desgagné-Penix, I. (2021). Diatoms Biotechnology: Various Industrial Applications for a Greener Tomorrow. Frontiers in Marine Science, 8(February).

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