Comezamos cunha pregunta para ti: cal é o material tecnoloxicamente máis avanzado na fotografía? O portátil, o teléfono, o rato, a cámara, os auriculares…? Pois ningún deles. Aínda que non o pareza, a resposta é, con moita diferenza, a planta. Comparado cos aparellos electrónicos da imaxe, a planta é un material que se autoensambla, se autorrepara, e se autorreplica. Ademais, é renovábel, capaz de sentir os seus arredores e de responder a cambios no ambiente de forma autónoma e sen necesidade de conectarse á electricidade.
Este exemplo pretende amosar que a natureza é a mellor enxeñeira posíbel, por levar miles de millóns de anos de vantaxe na tarefa de crear e optimizar un número extraordinariamente elevado de materiais elegantes, con altas prestacións, e resistentes á par que lixeiros. O máis sorprendente dos materiais naturais é que conseguen acadar esas propiedades á vez que se forman en condicións ambientais de temperatura e presión. Isto contrasta claramente coa maioría dos materiais sintéticos desenvolvidos polo ser humano, que adoitan precisar de procesos químicos complexos e a miúdo contaminantes para podérense producir. A natureza dota aos seus materiais dunha elaborada estrutura, maioritariamente formada por biopolímeros (por exemplo, proteínas ou carbohidratos) mesturados ás veces con compoñentes inorgánicos (como a calcita ou a sílice). Fai isto seguindo unhas instrucións almacenadas no ADN das células que producen eses materiais. Nesas condicións austeras, a natureza consegue fabricar materiais que permiten distribuír esforzos, deter o avance de fendas, ou amortecer impactos, e que combinan dúas propiedades difíciles de acadar en materiais sintéticos: produción a grande escala e deseño con resolución na escala atómica.
Un dos principais exemplos destes materiais biolóxicos é a madeira, que é un dos elementos máis usados nas construcións humanas grazas á súa conxunción de lixeireza e resistencia mecánica. Outro exemplo son os mexillóns, que producen pegamento proteico que lles permite adherirse ás rochas, unhas superficies irregulares e continuamente expostas a condicións extremas (vento, fortes ondas, ou alta salinidade) que serían un pesadelo para calquera adhesivo sintético. A seda de araña, os ósos do esqueleto, as cunchas dos moluscos, ou os dentes, son outros exemplos de materiais naturais que a miúdo superan en varias ordes de magnitude as propiedades mecánicas dos materiais sintéticos feitos polo ser humano. Estes e outros exemplos fascinan a moitos científicos e enxeñeiros, que nas derradeiras décadas están á vangarda do desenvolvemento de materiais con estruturas inspiradas nos materiais naturais (o coñecido como deseño bioinspirado). Ditos materiais teñen usos en eidos coma a biomedicina, o almacenamento de enerxía, ou as infraestruturas.
As proteínas estruturais son especialmente prometedoras para o desenvolvemento de novos materiais bioinspirados
As proteínas estruturais son especialmente prometedoras para o desenvolvemento de novos materiais bioinspirados. Chámase proteínas estruturais a aquelas que proporcionan un andamio que serve de hábitat ou de protección para células ou organismos vivos. Algúns exemplos desas proteínas son a seda, o coláxeno, a elastina ou a queratina. A vantaxe deste tipo de proteínas é que adoitan estar constituídas por unidades altamente repetitivas (pequenos bloques de aminoácidos). Esas pezas poden usarse coma pezas de Lego e mesturarse de moitos xeitos no laboratorio, permitindo crear novas proteínas estruturais non existentes na natureza que combinen propiedades de diferentes proteínas, coma a dureza da seda e a elasticidade da elastina. Isto está expandido a nosa capacidade de producir novos materias funcionais e complexos, xeralmente biocompatíbeis e biodegradábeis. Unha vez deseñadas esas novas proteínas estruturais, podemos usar técnicas biotecnolóxicas para introducir en bacterias o ADN coas instrucións para a súa fabricación, convertendo as bacterias en microfactorías desas novas proteínas estruturais.
Un inconveniente á hora de desenvolver estas proteínas é o laborioso que resulta crealas no laboratorio. Afortunadamente, grazas aos avances en técnicas de análise e de simulación, somos cada vez máis capaces de desenvolver modelos no computador para estudar e predicir as propiedades desas novas proteínas estruturais. Isto permite seleccionar proteínas estruturais con propiedades optimizadas, antes sequera de producilas no laboratorio. Isto, combinado cos continuos avances en técnicas de manufactura de materiais (como a impresión 3D) ou os avances en bioloxía sintética que permiten integrar materiais con microorganismos con funcións preprogramadas para crear os chamados materiais vivos (como o cemento que se autorrepara) fan deste un eido moi prometedor. Un campo de estudo coa capacidade de crear nas vindeiras décadas materiais na intersección entre a bioloxía, a enxeñaría, e a computación, que nin tan sequera somos quen de imaxinar a día de hoxe.
Diego López Barreiro (Santiago de Compostela, 1987) é científico do programa Marie Curie no Delft Biotechnology Center dos Países Baixos, onde traballa desde maio de 2020. Anteriormente exerceu como investigador en institucións como o Massachusetts Institute of Technology (MIT), a Universidade de Gante (Bélxica) ou a USC. É enxeñeiro químico pola Universidade de Santiago de Compostela e doutor en Química e Tecnoloxía de Bioprocesos pola Universidade de Gante.
Nota: Este artigo forma parte das actividades de divulgación do proxecto “Structural proteins for biomedical materials”, financiado polo programa marco Horizon 2020 da Unión Europea, baixo o programa de investigación e innovación Marie Skłodowska-Curie Actions (beca número 892369).
