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A veces se olvida que la ciencia es una sola y que los avances en una
de sus ramas o especialidades pueden ser muy útiles en otras que, en
principio, aparentan no tener relación alguna. En esta ocasión nos
referimos concretamente a cómo pudieran contribuir los avances en la
genética al ahorro de energía en el alumbrado público.
Biomimética
o biomimesis es el término utilizado para describir el proceso de aplicar
a cualquier problema soluciones que imiten la naturaleza. Puede referirse
tanto a principios biológicos como a materiales o a problemas de cualquier
otra índole. La concepción se basa en que la naturaleza ha tenido millones
de años para diseñar y mejorar muchas particularidades de animales y
plantas, que se han ido adaptando de forma óptima al medio que los rodea.
De aquí que muchos piensen que resulta más ventajoso copiar la naturaleza
que tratar de superarla.
Muchas soluciones tomadas de la biosfera
se han adaptado con éxito a problemas tecnológicos contemporáneos. Por
ejemplo, la parte frontal de algunos trenes de alta velocidad está
diseñada de acuerdo a la forma aerodinámica de la cabeza de una especie
particular de patos, con el fin de disminuir lo más posible la resistencia
del aire. En el caso del alumbrado público, lo que se trata de mimetizar
es la bioluminiscencia presente en diversas plantas y animales.
La bioluminiscencia es un fenómeno muy extendido en todos los
niveles biológicos, pues se puede encontrar en bacterias, gusanos,
moluscos, crustáceos, insectos como las luciérnagas o en nuestro
popular cocuyo (Fig. 1). Treinta y tres especies de hongos del
género Mycena son luminiscentes.
Desde hace algunos años diversos grupos de investigación tratan
de mimetizar esta propiedad natural con vistas a su posible
aplicación en árboles y arbustos. La siembra de plantas
luminiscentes en carreteras y ciudades podría contribuir de forma
sustancial al ahorro de la energía que se emplea en el alumbrado
vial nocturno.
En los insectos, algunos crustáceos y
cefalópodos abisales, la luminiscencia es causada por una reacción
química en la que el oxígeno se combina con la luciferina bajo el
efecto catalítico de la enzima luciferasa, proporcionando luz sin
casi emitir calor. El proceso fue estudiado en detalle en la década
de los años 70-80 del siglo pasado por el profesor Anthony Campbell,
de la universidad de Cardiff. Al descubrir las proteínas
involucradas en el proceso, encontró que al combinar la luciferasa
con otras moléculas era posible usar la luminiscencia para estudiar
diversos procesos biológicos. Por ejemplo, al unir una proteína luminiscente con algún anticuerpo
producido por el organismo humano como mecanismo de defensa, fue posible
simplificar una técnica empleada en el diagnóstico de diversas
enfermedades. Anteriormente se empleaban marcadores radiactivos con ese
fin.
Tras más de treinta años de desarrollo de esa tecnología,
actualmente las técnicas bioluminiscentes se emplean regularmente en
muchos hospitales para detectar proteínas virales, de cáncer o de
bacterias, hormonas, vitaminas y fármacos en los análisis de sangre.
También se usan proteínas luminiscentes como herramientas de
investigación, en el estudio de los mecanismos de diversos procesos
biológicos en las células vivas.
En la universidad de Lausana, Suiza,
se ha desarrollado un test para la determinación de arsénico en el agua
potable usando bacterias modificadas genéticamente. Ese tipo de
contaminación es un problema en algunos lugares como Bangladesh, India,
Laos y Viet Nam. Las bacterias emiten luz cuando entran en contacto con el
arsénico y la intensidad luminosa indica su concentración.
El
Profesor Campbell ha declarado recientemente que, en su parecer, los
centros universitarios de investigación que aún no hayan asimilado estas
técnicas se encuentran bastante alejados de las actuales fronteras del
conocimiento. Se puede estimar el desarrollo actual del uso tecnológico de
la bioluminiscencia a partir de las cifras de un mercado que mueve cada
año unos 20-25 mil millones de dólares.
Árboles para el
alumbrado público
¿Será posible crear plantas capaces de
generar suficiente luz como para hacer innecesario el alumbrado público
nocturno? Quienes hayan visto la película de ciencia ficción Avatar,
ganadora del premio Oscar 2010 en la categoría de mejores efectos
visuales, recordarán que en la luna Pandora del planeta Polifemo, donde se
desarrolla la trama, las plantas proporcionaban suficiente iluminación
nocturna como para no necesitar otros medios. Esto, desde luego, es
ciencia ficción. Pero quizás en un futuro no muy lejano la ficción se
convierta en realidad, tal como ha sucedido tantas otras veces.
Las
técnicas actuales de ingeniería genética se basan en introducir segmentos
aislados del ADN nuclear de un ser vivo en el genoma de otro (fig. 2). El
genoma comprende la totalidad de la información genética contenida en el
núcleo celular, que permite reproducir la especie. En ocasiones el
organismo transgénico queda esterilizado, pero en otras el organismo
modificado es capaz de transmitir la modificación a la generación
posterior y se vuelve hereditaria. Hay diversas formas para crear un
transgénico: empleando descargas eléctricas para hacer penetrar los
fragmentos de ADN al interior del núcleo celular, bombardeando las células
con micropartículas recubiertas de ADN, o usando un ser portador vivo como
una bacteria capaz de inocular las células con los fragmentos
deseados.
Las medusas o «aguas malas» que se encuentran en los mares a gran
profundidad generan luz a partir de su propia energía, sin necesidad de
medios auxiliares, mediante un mecanismo diferente al de la
luciferina-luciferasa. Igual sucede en otras especies marinas como los
peces abisales, que viven a profundidades superiores a 2 km de la
superficie, donde nunca llega la luz solar. Ya se ha logrado crear plantas
ornamentales modificadas genéticamente, que brillan en la oscuridad, al
combinar el DNA proveniente de bacterias marinas con el genoma de los
orgánulos o cloroplastos encargados de la fotosíntesis. Así se logró
que tallos y hojas emitan una tenue luz similar a la de las
medusas.
Otro proyecto, denominado «Naturaleza luminosa», no usaría
materiales modificados genéticamente, sino hongos luminiscentes para crear
una «pintura biológica» que aplicada a los árboles los haría brillar en la
noche. La pintura se energizaría durante el día y al oscurecer sería capaz
de emitir luz hasta por ocho horas.
Una compañía
norteamericana-israelí tiene en proyecto modificar el ADN de una planta
del género Arabidopsis introduciendo genes de luciérnaga para hacerla
luminosa. La Arabidopsis thaliana fue la primera planta cuyo genoma se
secuenció por entero en diciembre de 2000, al culminar el proyecto AGI
(Iniciativa para el Genoma de la Arabidopsis). Los investigadores se basan
en la idea de que la biología es «tecnología de información». Pretenden
diseñar y programar seres vivos de la misma forma que se diseñan los
programas de computación. Consideran que en la actualidad los diseñadores
genéticos aún escriben en «unos» y «ceros», pues carecen de las
herramientas necesarias para diseñar, depurar y compilar los códigos
biológicos que les permitan crear nuevos seres vivos. Con estas
investigaciones se busca crear las bases para diseñar tales herramientas y
encontrar soluciones más simples para diseñar el
ADN.
¿Genética o semiconductores
luminiscentes?
También hay variantes no genéticas de
bioluminiscencia. En 2010 el Dr. Yen-Hsun Su, del Centro de
Investigaciones para la Ciencia Aplicada de la Academia China, en Taiwan,
implantó nanopartículas de oro en arbustos de Bacopa caroliniana. Al ser
expuestos a la luz ultravioleta, el oro producía una luminiscencia azul
violeta, que a su vez excitaba una emisión de color rojo en la clorofila
de la planta. Esta línea de investigación, denominada bio-LED
luminiscencia, se basa en la tecnología de los diodos semiconductores
luminiscentes (Light Emmiting Diode, LED), y no en la manipulación
genética.
Fig. 4. A la izquierda, el pez ornamental Danio rerio (el popular pez cebra). A la derecha,
peces cebra transgénicos y fluorescentes.
Los productos transgénicos aún despiertan mucha desconfianza en
diversos círculos, a causa de los posibles efectos desconocidos que
pudieran generar (Figs. 3 y 4). Sin embargo, y a pesar de la desconfianza,
según un reporte de 2006, en Estados Unidos 89% de plantaciones de soya
eran de variedades transgénicas, así como 83% del algodón y 61% del maíz.
En 2007, los cultivos de transgénicos se extendían a 114,3 millones de
hectáreas en 23 países, de los cuales 12 eran países en vías de
desarrollo. La tendencia actual del avance de la bioluminiscencia no
apunta hacia la nanotecnología y la bio-LED, sino hacia la transgénica. El
futuro dirá.
* Doctor en Ciencias Físicas, Universidad de La Habana,
Cuba.
** Doctor en Ciencias Físicas, Departamento de Ingeniería Civil
y Ambiental, Universidad de Guanajuato, México.
e-mail: [email protected]
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Fig. 1. Bioluminiscencia. Arriba: Pyrophorus noctilucus (cocuyo,
tucu-tucu, saltaperico, tagüinche); Abajo: hongo Mycena galericulata
(bonete)
Fig. 2. Ubicación del ADN (ácido
desoxirribonucleico) dentro de la célula. A: adenina, T: timina, C:
citosina, G: guanina. El ADN contiene la información necesaria para
reproducir cualquier especie animal o vegetal.
Fig. 3. Planta transgénica de tabaco, mostrando
la luminiscencia causada por la luciferasa de la luciérnaga Photinus pyralis.
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