Cuando la física y los dinoflagelados se conocen




Ciencias físicas

Bajo cierta perspectiva, podemos pensar en los dinoflagelados como si pudieran alternar diferentes identidades; un símil del extraño caso del doctor Jekyll y el señor Hyde.

Este grupo extenso de microalgas que forman parte del fitoplancton producen una gran variedad de sustancias bioactivas que, así como pueden generar graves problemas para las actividades económicas como la acuicultura y las pesquerías cada vez que se presenta una “marea roja”, suscitan un amplio interés para el sector farmacéutico y alimentario, porque estos metabolitos también pueden ayudar en el combate de enfermedades como el cáncer, o por sus propiedades antibióticas y antivirales.

Dinoflagelado del género Lingulodinum

Esto es: cuando las toxinas constituyen un problema (al más puro estilo de Mr. Hyde), quisiéramos acabar con los dinoflagelados, pero cuando queremos aprovechar los metabolitos que nos interesan (vengan de ahí, Dr. Jekyll), deseamos que crezcan más rápido y que produzcan más de estas sustancias.

Las investigaciones en uno y otro sentido son incipientes a nivel mundial. Por sí solos, los biólogos (o biotecnólogos en este caso) tienen un bonito problema con el desarrollo de dinoflagelados en cultivo, pues resulta que su crecimiento es extremadamente lento, con curvas de hasta 50 días (en comparación, un cultivo de bacterias tarda 24 horas en desarrollarse), por lo que el gran reto, dada la complejidad química estructural de estas biomoléculas (su producción por síntesis química queda descartada en la mayoría de los casos), está en aumentar la tasa de crecimiento de los cultivos.

En contraparte, si tienes una granja de camarón y se te presenta un florecimiento algal en los estanques, para acabar con él vas a tener que hacer recambios de agua de emergencia, aumentar la aireación o de plano usar sustancias químicas malísimas para el ecosistema y que además pueden acabar con tu producción.

Nótese: dijimos “por sí solos”, avanzar en estas cuestiones puede resultar problemático. Pero ¿qué tal si conjuntamos grupos de investigación que puedan ver el asunto desde perspectivas diferentes? Digamos, interdisciplinariamente: biólogos y físicos, biotecnólogos y ópticos.

Pues justamente esto es lo que pasó en el CICESE a principios de este año cuando Santiago Camacho coincidió con Lorena Durán en una comisión que, además, nada tiene que ver con el desarrollo o planeación de investigaciones.

La historia, por inverosímil, es muy divertida. Resulta que Santiago Camacho preside la Comisión de Análisis de la Productividad Académica (CAPA) del CICESE, y este año entraron nuevos integrantes. Una de ellas, Lorena Durán.

Siendo ambos investigadores, él en el Departamento de Óptica, ella en el de Biotecnología Marina, lo más natural es que trataran de entender los conocimientos de cada quien.

En el caso de la doctora Durán, se puede resumir así: mantiene en su laboratorio una colección de más de 200 cepas de dinoflagelados, tanto bentónicos como planctónicos, con proyectos enfocados a entender la ecología química y molecular de este grupo, en particular las especies que son capaces de generar toxinas, su comunidad bacteriana (microbiota) asociada, y la relación de ésta con la producción de toxinas. Sus últimas publicaciones están orientadas a estudiar familias de metabolitos con efectos citotóxicos y antiproliferativos como fuentes de compuestos anticancerígenos, así como los orígenes e interacciones de neurotoxinas marinas, su síntesis y farmacología.

Santiago Camacho, por su parte, lidera el grupo de láseres de pulsos ultracortos y procesamiento de materiales en uno de los laboratorios mejor equipados del país. Desde hace años desarrolla proyectos orientados a la síntesis y procesado de materiales ópticos para aplicaciones biomédicas, así como al procesamiento -con láseres- de diversos materiales, incluyendo medios biológicos. Su proyecto binacional Ventanas al Cerebro, que tuvo financiamiento del Conacyt y la National Science Foundation, le permitió trabajar con neurocientíficos y especialistas de diversos campos en México y Estados Unidos. Además, su grupo trabaja en la síntesis de nanopartículas metálicas, el nanoestructurado de superficies y estudia el efecto de la cavitación óptica y sus aplicaciones.

“El punto de interés común, para mí, fue que los dinoflagelados necesitan luz para su reproducción y desarrollo, y luz suena a óptica, que es lo mío. Las incubadoras donde mantiene sus cepas las tiene iluminadas con lámparas led. Me acuerdo que una de las primeras preguntas que le hice fue ¿y sabes cuáles son las características espectrales de estas lámparas? ¿la intensidad a la que emiten? Porque desde mi campo es lo que me dice algo. A partir de ahí quise comprender cuál es el papel de la luz en la parte biológica, que es lo que hace Lorena. Ese fue el punto de encuentro”, comentó el doctor Camacho.

Lorena Durán por su parte, comenta: “Cuando Santiago empezó a preguntarme, la verdad es que no imaginé que pudiéramos tener algo en común, que pudiéramos trabajar juntos; él no sabe nada de biología y a mí esta parte (toda la relación que los dinoflagelados pueden tener con la óptica) me parece fascinante”.

Esto ocurrió hacia finales de febrero de 2022.

Así, de coincidir en sesiones de la CAPA, pasaron a sostener conversaciones en el laboratorio y en el cubículo de Lorena Durán. Idea que surgía, de inmediato pasaba por el filtro de los buscadores para averiguar si ya se había hecho o publicado algo en ese sentido a nivel global.

Marzo y abril fueron de lluvia de ideas, y en mayo decidieron sostener una primera reunión ya con los grupos de investigación completos. Lorena con sus estudiantes (tiene poco de haber entrado al CICESE, prácticamente con la pandemia), y Santiago con tres investigadores: Mariela Flores Castañeda, Paulina Segovia Olvera y Luis Felipe Devia Cruz, más estudiantes y becarios.

Esto ocurrió en una conocida cervecería de Ensenada, reconocida porque ahí se han arreglado una y otra vez los problemas más grandes que enfrenta la humanidad. En esta ocasión, entre Sirenas, Astilleros y una que otra Marea Roja (no podía ser de otra manera), cada quien explicó a qué se dedica, rebotaron ideas y acordaron seguir dos líneas de investigación.

1. Para que crezcan más rápido y produzcan más metabolitos de interés, decidieron probar co-cultivos con nanopartículas sintetizadas a partir de varios materiales y, más adelante, cultivar dinoflagelados en superficies nanoestratucturadas para probar si crecen más rápido, al igual que sucede con fibroblastos o células óseas.

2. Para eliminar estas microalgas en sistemas cerrados tratarán de comprobar si las burbujas de cavitación, que a su vez vienen acompañadas de ondas de choque a una presión muy alta, son capaces de suprimirlas.

El trabajo con nanopartículas

Para encontrar el rango en que los cultivos funcionan mejor, los biólogos buscan controlar parámetros a nivel macro: salinidad, temperatura, nutrientes, luz. Pero aún así, el crecimiento de los dinoflagelados sigue siendo muy lento porque su “maquinaria” metabólica es muy compleja. La ayuda, entonces, vendría de las nanopartículas; en específico de aquellas que pueden cosechar luz en una región espectral no aprovechada de manera natural por los dinoflagelados y que la transfieren en el rango donde los dinoflagelados realmente la puedan aprovechar, para incrementar así sus tasas de reproducción y crecimiento.

A nivel general, las nanopartículas que más se han estudiado en distintos ámbitos han sido las de plata y oro, porque no se degradan y porque tienen propiedades muy particulares, de mucho provecho. Pero son materiales caros, y más si se piensan utilizar masivamente.

Por ello, en el grupo de Santiago Camacho han optado por experimentar con nanopartículas de materiales que no resulten tan caros, que sean abundantes en la naturaleza y de preferencia que México los produzca, siendo esta una filosofía que han adoptado en su laboratorio.

La doctora Mariela Flores Castañeda es quien se ha dedicado a sintetizar distintos tipos de nanopartículas, y de diseñar o de hacer ingeniería para proveerles propiedades que sustituyan a las del oro y la plata, reduciendo costos.

“En el laboratorio hemos ido aprendiendo cómo hacer esto. Por ejemplo, el oro tiene una absorción (resonancia) plasmónica a la longitud de onda de 800 nanómetros. Esto quiere decir que, si lo ilumino con luz infrarroja de 800 nanómetros, una nanopartícula de oro absorberá muy bien esa luz. Hemos encontrado que al sintetizar nanopartículas de trióxido de molibdeno tienes exactamente esa misma propiedad, con la diferencia de que el molibdeno es mucho más barato que el oro, y existe en abundancia en México”, indicó Santiago Camacho.

En el caso de los cultivos de dinoflagelados, la idea es utilizar nanopartículas específicas que te permitan aprovechar la luz que no están aprovechando de manera natural estas microalgas. Esto es, que la nanopartícula haga el trabajo de cosechar luz y transferir la energía al dinoflagelado, considerando que la mayor cantidad de luz disponible (intensidad y región espectral en la que emiten las lámparas led en las incubadoras) es, de hecho, la que menos se aprovecha.

“Mariela Flores se ha dado a la tarea de probar con distintos materiales, por ejemplo, con bismuto. Resulta que México es el segundo productor mundial de bismuto, y con el bismuto nos ha pasado lo que nos sucedió con el petróleo por décadas, que vendes el petróleo crudo y lo importas procesado. Con el bismuto está pasando eso, pues México lo vende y ya luego lo compra en forma de dispositivos tecnológicos, carísimo. Mariela ha estado desarrollando síntesis de bismuto en distintas nanoestructucturas: nanopartículas, nanohojas, nanotubos, nanobarras, y ese es el tipo de partículas que queremos probar con estos organismos, con la intensión de lograr esa mejora en la reproducción de dinoflagelados”, indicó el Dr. Camacho.

Hasta ahora los ensayos no se han hecho con nanopartículas de bismuto, sino de silicio, pero la idea, según explica Lorena Durán, es utilizar molibdeno, vanadio y desde luego bismuto y silicio.

Otra línea que va en la misma dirección es utilizar superficies nanoestructuradas. La doctora Paulina Segovia Olvera está a cargo del área de nanoestructurado de superficies. Se sabe, explicó Santiago Camacho, que otros microorganismos o células, como fibroblastos o células óseas, aceleran su crecimiento cuando están depositadas sobre una superficie con estructurado, comparado con una superficie lisa. “Una cosa que tenemos contemplado, pero que todavía no hemos implementado porque son demasiadas cosas a la vez, es poner los dinoflagelados en estas superficies y ver si también a ellos, como los fibroblastos o las células de hueso, les gustan esas superficies para reproducirse más aceleradamente. Creemos que podría funcionar”, indicó.

  

Lo que puede hacer la cavitación

La otra línea de investigación tiene que ver con cómo eliminar estos dinoflagelados cuando ya te contaminaron, por ejemplo, una granja de camarón, de manera que tu producción está en riesgo y no puedes darte el lujo de usar sustancias químicas, como cloro o sales de cobre, porque vas a dañar el ambiente (además de perder la producción).

Aquí estás hablando de un florecimiento algal nocivo (FAN) en un sistema cerrado, porque cuando ocurren en mar abierto el asunto se sale de control, como ha pasado con la mortandad de atunes en los encierros localizados en la Bahía de Todos Santos; la contaminación por toxinas que afecta la producción de moluscos bivalvos en ambos litorales de Baja California y cierra su exportación, o incluso la producción de agua potable para Ensenada, como ocurrió en 2020, cuando una de estas mareas rojas fue tan intensa que la abundancia de dinoflagelados tapó los filtros de la planta desalinizadora.

Una opción que están explorando en el caso de sistemas cerrados es emplear un método físico. El doctor Luis Felipe Devia tiene varios años de experiencia en cavitación óptica, y piensan probarla aquí.

La idea general es que tienes dinoflagelados en el agua, al tiempo que generas burbujas de cavitación.

Se piensa que la eliminación de estos organismos puede ocurrir con base en tres mecanismos físicos involucrados en el fenómeno de cavitación, según explicó Santiago Camacho.

Uno es por presión mecánica. Las burbujas de cavitación vienen acompañadas por ondas de choque que viajan ejerciendo una presión muy alta; estas ondas llegan y ¡pum! rompen la estructura de la célula por un efecto mecánico. O al menos eso se piensa.

Por otro lado, cuando se produce cavitación se genera un plasma (materia ionizada), y ese plasma emite luz ultravioleta. La LUV también podría causar modificaciones, incluso a nivel del ADN del microorganismo y dañarlo.

El tercero es que, al generar el plasma en el agua, rompes las moléculas del líquido y cambias, por un método físico, su estructura molecular. Con esto generas radicales libres que, a su vez, cambian el ambiente en el que se encuentran los dinoflagelados, y eso también los podría eliminar.

Pero la idea no es agarrar el láser, llevarlo a la granja y ametrallar el cultivo como si estuvieras en Star Wars. El problema no es lo futurista de la medida, sino que el volumen en el que produces cavitación con el láser es tan pequeño, que no resulta viable.

Lo que sí es viable es generar este efecto no por medios ópticos, sino hidrodinámicos, a partir de un proceso desarrollado por CAVOXD, una compañía con la que ya han trabajado los doctores Devia y Camacho.

“Básicamente se tienen dos bombas que recirculan el agua en un circuito cerrado. Una parte del circuito tiene un Venturi, que es una especie de embudo, y al pasar el agua por ahí a velocidades muy grandes se produce un cambio abrupto de presión que da lugar a la cavitación. Lo que estamos haciendo en el laboratorio es probar con cavitación inducida por láser para saber si se pueden eliminar los dinoflagelados. Si probamos que eso es viable, entonces se podrían implementar cavitadores industriales del tipo CAVOXD para recircular el agua en el caso, por ejemplo, de una granja de camarón”, señaló Santiago Camacho.

Así, entre reuniones, clases de biología para los físicos y de física para biólogos, discutir idea tras idea, se han ido sentando las bases para trabajar conjuntamente. Cuatro estudiantes de la licenciatura en Física de la UABC (Ana Vanessa González Campista, Viviana Camacho Bernal, Carlos Iván Escutia Burgos y Eduardo Gauna Gutiérrez), a través del programa de Proyectos de Vinculación con Valor Curricular, realizaron recientemente dos estudios con dos especies de dinoflagelados, uno tecado y uno desnudo, con nanopartículas y con cavitación. “Para ellos fue fantástico porque nunca habían trabajado con cultivos de organismos vivos, nunca habían trabajado con microscopios, no habían tomado muestras ni había hecho conteos celulares. Fue un entrenamiento en el que no faltaron un solo día. Ya terminaron sus experimentos y en este momento estamos en el proceso de análisis de datos”, indicó Lorena Durán.

Con esto, y con el trabajo de microscopía electrónica que ha estado realizando Fabián Alonso (técnico en el Departamento de Óptica), se podría pensar en que tendremos suficientes resultados como para lograr una primera publicación, complementó Santiago Camacho, o bien presentar resultados en congresos, como lo hicieron recientemente Mariela Flores y Sergio Piñeiro (becario) en la XV International Conference on Surfaces, Materials and Vacuum, celebrada a finales de septiembre en Puerto Vallarta.

Hasta el momento, todos los avances que ha logrado este grupo interdisciplinario han sido financiados parcialmente con recursos de proyectos que ambos investigadores tienen vigentes: autogenerados, internos (CICESE); Ciencia Básica (Conacyt); PIRE (NSF-Conacyt). Pero están por redactar dos propuestas para buscar financiación específica. Si es del Conacyt, entrarían en convocatorias en temas de Agua, Salud, o en la de Ciencia de Frontera.

Mientras tanto, Lorena Durán y Santiago Camacho preparan maletas para viajar a la Universidad de Texas A&M donde discutirá con investigadores y autoridades de nueve instituciones, entre otras cosas, si hay interés en colaborar en este tipo de estudios. Y confían que sí.

 

Palabras clave: dinoflagelados, nanopartículas, cavitación, metabolitos, Santiago Camacho, Lorena Durán

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