Detección e identificación de componentes orgánicos en conchas de moluscos

Resumen

Los biomateriales son tan sorprendentemente variados como abundantes en nuestro mundo. La biomineralización (regulación biológica de la mineralización) comenzó hace más de 500 millones de años, siendo sin duda uno de los factores clave en el desarrollo de la vida en este planeta. El estudio de los procesos de biomineralización es de una importancia y complejidad tal que es imposible abordarlo desde un solo campo de la ciencia, precisando un enfoque multidisciplinar. Es importante para la ciencia que se dedica al estudio de materiales, para la medicina reparativa, e igualmente sustancial en investigaciones evolutivas, filogenéticas, estratigráficas y por supuesto ecológicas. Es muy difícil (si no imposible) abarcar la amplitud y significación de la biomineralización con la mente. Es un fenómeno biológico donde confluye el mundo vivo con el mundo mineral; ambos se unen, se asocian, y conducen a materiales híbridos. La parte de la ciencia que aborda el estudio de la biomineralización se centra en la interacción entre los componentes inorgánicos de estas estructuras con su fracción orgánica. Gracias a ésta última adquieren las propiedades y cualidades que han hecho a los biominerales tan variados y exitosos evolutivamente. ¿Cómo puede la materia viva dirigir la formación de minerales? ¿Cómo se controlan la composición, la forma, la localización y hasta la reparación si se hace precisa? En los últimos años, el abordaje multidisciplinar del proceso está revolucionando, como quizás era esperable, campos muy diferentes de la ciencia, desde la biología básica hasta la geología, pasando por ingenierías y las nacientes ciencias de investigación en nuevos materiales. Se especula, y se trabaja en ello desde hace varias décadas, en la consecución de productos industriales muy superiores a los usados en la actualidad, pero se hace preciso previamente desvelar la complejidad del proceso. En el Phylum Mollusca (el segundo más numeroso de todo el reino animal, tras los artrópodos) sus biominerales se revelan día a día como sumamente complejos y fascinantes. En moluscos, la matriz orgánica de la concha se compone de un gran número de proteínas, glicoproteínas y polisacáridos, que son secretados por el epitelio calcificante del manto, y que juegan un papel fundamental en las funciones de la síntesis de la concha. El estudio de la biomineralización se enfrenta a dos grandes retos, uno de ellos está representado por la microestructura lamelar cruzada, el otro por el nácar. La lamelar cruzada es con diferencia la microestrcutura más abundante, pero pese a ello apenas hemos comenzado a desvelar sus secretos. El nácar, es la microestructura más estudiada pero aun alberga muchas incógnitas, no solo en cuanto a su desarrollo, sino también en lo que respecta a la propia estructura. En este estudio, se ha caracterizado bioquímicamente la matriz asociada a la estructura lamelar cruzada de la concha reina, Lobatus gigas. Las matrices orgánicas soluble e insoluble representan una fracción minoritaria de la concha. Ambas están compuestas por una pequeña proporción de proteínas. De ellas se han purificado tres fracciones dominantes mediante electroforesis SDS-PAGE preparativa, denominadas como 1P3, 2P3 y 3P3, y posteriormente han sido caracterizadas. Comparada con otras matrices, ésta está débilmente glicosilada (3%). Sólo la fracción 3P3 se presenta notablemente glicosilada. La composición de azúcares muestra que la manosa es el monosacárido principal. Siendo la primera vez que se constata este dato. Las proteínas purificadas interaccionan con el carbonato cálcico durante el proceso de cristalización in vitro, pero esta interacción es moderada. Se empleó el anticuerpo obtenido frente a 3P3 se usó para localizar a estas proteínas en las conchas mediante inmunogold. Se han estudiado las fibras de quitina en conchas con estructura nacarada. Aunque de manera general se acepta que las fibras de quitina se presentan en las membranas interlamelares del nácar, la disposición de estas fibras ha sido discutida. Hasta ahora la mayoría de las observaciones se habían realizado en conchas desmineralizadas, donde la estructura original se pierde. En nuestro estudio hemos aplicado diferentes técnicas de marcaje (inmunofluorescencia directa e inmunogold) de las fibras de quitina en conchas no desmineralizadas. Hemos puesto así de manifiesto la disposición y la naturaleza de las diferentes fibras en la superficie del nácar sin desmineralizar, de los bivalvos Neotrigonia sp., Haliotis rufescens y Pteria Hirundo, trabajando con microscopía confocal y con microscopía electrónica de barrido (SEM). Durante el desarrollo experimental se encontraron evidencias de la presencia de quitina intracristalina en las plaquitas de nácar. Las observaciones realizadas, y los resultados experimentales, nos han ayudado a desvelar las dinámicas de crecimiento del nácar, mediante la interacción de la materia orgánica con el carbonato cálcico. Este trabajo es una aproximación, desde las técnicas microscópicas y moleculares, al conocimiento de los componentes orgánicos que otorgan a estas dos microestructuras sus peculiares características. Es un pequeño avance que abre camino a investigaciones posteriores. Se precisarán muchos años de estudio para desvelar por completo los secretos mecanismos de interacciones surgidas, y seleccionadas, a lo largo de cientos de millones de años. Osuna-Mascaro, A., Cruz-Bustos, Benhamada, S., et al., The shell organic matrix of the crossed lamellar queen conch shell (Strombus gigas). Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol, 2014. 168: p. 76-85. Checa, A.G., J.H. Cartwright, and M.-G. Willinger, The key role of the surface membrane in why gastropod nacre grows in towers. 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