El proceso por el que las cianobacterias toman nutrientes de las rocas del desierto de Atacama ha inspirado formas en que los microbios podrían ayudar a construir colonias en la Luna y Marte.
Así lo determinó un grupo de investigadores del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UCI (Universidad de California Irvine) y del Departamento de Biología de la Universidad Johns Hopkins, quienes utilizaron microscopía electrónica de alta resolución y técnicas avanzadas de imagen espectroscópica para comprender con precisión cómo los microorganismos modifican tanto los minerales naturales como las nanocerámicas fabricadas sintéticamente.
Un factor clave, según los científicos, es que las cianobacterias producen biopelículas que disuelven las partículas de óxido de hierro magnético dentro de las rocas de yeso, transformando posteriormente la magnetita en hematita oxidada.
Los hallazgos del equipo, que son objeto de un artículo publicado en la revista Materials Today Bio, podrían proporcionar una vía para nuevos métodos biomiméticos de minería. Los autores también afirman 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 útil para la ingeniería civil en entornos hostiles, como los de la Luna y Marte.
“A través de un proceso biológico que ha evolucionado a lo largo de millones de años, estos minúsculos mineros excavan rocas y extraen los minerales esenciales para las funciones fisiológicas, como la fotosíntesis, que les permiten sobrevivir”, explicó en un comunicado David Kisailus, académico de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UCI. “¿Podría el ser humano utilizar un método bioquímico similar para obtener y manipular los minerales que consideramos valiosos? Este proyecto nos ha llevado por ese camino”, añadió.
El desierto de Atacama es uno de los lugares más secos e inhóspitos de la Tierra, pero Chroococcidiopsis, una cianobacteria hallada en muestras de yeso recogidas allí por el equipo de la Johns Hopkins, ha desarrollado “las adaptaciones más asombrosas para sobrevivir a su hábitat rocoso”, afirmó la coautora Jocelyne DiRuggiero, profesora asociada de biología de la universidad de Baltimore.
“Algunos de esos rasgos incluyen la producción de clorofila que absorbe fotones del rojo lejano y la capacidad de extraer agua y hierro de los minerales circundantes”, explicó esta última.
Nataly Venegas, divulgadora científica del Centro de Comunicación de las Ciencias de la Universidad Autónoma de Chile, señala que los microorganismos extremófilos son capaces de sobrevivir en condiciones que, para cualquier ser humano, serían mortales. “Uno de ellos son las cianobacterias encontradas en este estudio, las Chroococcidiopsis, las que son capaces de oxidar y solubilizar la magnetita, un mineral de hierro con fuerte magnetismo, cuando hay escaso hierro disponible”.
En esta investigación, se mostró que estas bacterias se agrupan formando una biopelícula alrededor de la magnetita, disolviéndola y transformándola en hematita. Además, producen sideróforos, un compuesto para adquirir hierro a partir de magnetita. “Este estudio es pionero en el área y podría sentar las bases para el futuro desarrollo de materiales que incorporen células vivas para producir diseños biomiméticos extremos, es decir, fabricar materiales bajo condiciones biológicas extremas”, explica Venegas.
¿Qué importancia tiene que sea en Chile?
“En Chile, la extracción de hierro se da principalmente en las regiones de Atacama y Coquimbo. Anualmente, se exportan cerca de 16 millones de toneladas de este mineral. La magnetita es la forma más abundante de hierro en nuestro país. Si bien, en los últimos años el proceso de extracción ha ido mejorando en términos de costos, de todas maneras, es necesario trabajar en el manejo de residuos”, agrega Venegas, Doctora en Ciencias Biomédicas.
Chile tiene muchos laboratorios naturales, “uno de ellos es el desierto de Atacama. El descubrimiento de estas cianobacterias y la producción de sideróforos por parte de ellas, podría ser una oportunidad de innovación en la industria del hierro chilena, más amigable con el medioambiente y con un menor costo”, considera la académica de U. Autónoma.
Venegas establece que la Luna es rica en hierro metálico, “pero debido a la ausencia de oxígeno, es poco factible encontrarlo en su forma oxidada (óxido de hierro). Estos microorganismos producen oxígeno como parte de su actividad metabólica, lo que podría llevar a la producción de óxidos de hierro en la Luna en presencia de ellos. Sin embargo, descubrimientos recientes han mostrado la presencia de la hematita, un mineral que contiene la forma oxidada de hierro (Fe2O3)”.
Por su parte, Marte es rico en óxido de hierro y en hematita, por lo cual el posible rol de las cianobacterias pudiera no ser el mismo que en la Luna. “Sin embargo, dada la disponibilidad de hierro en ambos, las cianobacterias pudieran ser una de las formas de vida que podrían sobrevivir en estos ambientes extremos”, explica Venegas.
Es importante considerar que las cianobacterias fueron una de las formas de vida más antigua en la Tierra y se cree que tuvieron un rol fundamental en dar al planeta una atmósfera que contiene oxígeno (gran evento de oxigenación). “Este crucial evento, permitió que sugieran muchos organismos dependientes de oxígeno. Quien sabe si esto pudiera ocurrir en algunos millones de años en Marte o la Luna”, añade la Doctora.
Por otro lado, y como mencionó Kisailus, autor del artículo original, adiciona Venegas. “Si se quiere construir algo en la Luna, en lugar de tener que recurrir a personas para ello, se podrían utilizar sistemas robóticos que imprimieran en 3D el material y luego las cianobacterias lo reconfiguraran en algo de valor. Esto podría hacerse sin poner en peligro vidas humanas. Sin embargo, aún falta mucha investigación para lograr esto. Es un proyecto a largo plazo”.
Disolución y oxidación
Utilizando microscopios electrónicos avanzados e instrumentos espectroscópicos, los investigadores hallaron pruebas de la presencia de microbios en el yeso observando cómo se transformaban los propios minerales que contenían.
Las células de cianobacterias promovieron la disolución de la magnetita y la solubilización del hierro mediante la producción de abundantes sustancias poliméricas extracelulares, lo que condujo a la disolución y oxidación de la magnetita a hematites. “La producción de sideróforos (compuestos fijadores de hierro generados por bacterias y hongos) aumentó en presencia de nanopartículas de magnetita, lo que sugiere su uso por las cianobacterias para adquirir hierro de la magnetita”, señala DiRuggiero.
Kisailus considera que la forma en que los microorganismos procesan los metales en su desolado hogar le hizo pensar en nuestras propias prácticas mineras y de fabricación.
“Cuando extraemos minerales, a menudo nos encontramos con menas (material natural del que se pueden extraer minerales o metales con beneficio económico), que pueden plantear problemas para la extracción de metales valiosos. A menudo tenemos que someter estos minerales a un procesamiento extremo para transformarlos en algo de valor. Esa práctica puede ser costosa monetaria y medioambientalmente”, explica Kisailus.
El investigador dice que ahora está sopesando un enfoque bioquímico que utilice análogos naturales o sintéticos de los sideróforos, enzimas y otras secreciones para manipular minerales donde actualmente sólo funciona una gran trituradora mecánica. Y dando un salto más allá, dijo que también podría haber una forma de conseguir que los microorganismos emplearan capacidades bioquímicas similares para producir un material manipulado a demanda en lugares poco convenientes.
“Yo lo llamo ‘formación lunar’ en lugar de terraformación. Si se quiere construir algo en la Luna, en lugar de tener que recurrir a personas para ello, se podrían utilizar sistemas robóticos que imprimieran en 3D el material y luego los microbios lo reconfiguraran en algo de valor. Esto podría hacerse sin poner en peligro vidas humanas”, finaliza el académico de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UCI.
