La naturaleza se adelanta a la ingeniería: descubren el primer metamaterial programable en un ser vivo

Un área de investigación fundamental en el campo de la ciencia de materiales se centra en el desarrollo de unas estructuras conocidas como metamateriales: sistemas donde sus propiedades no dependen exclusivamente de la sustancia de la que están hechos, sino de cómo están organizados internamente. Un metamaterial tiene un diseño geométrico preciso para comportarse de una forma específica. Dentro de este ámbito, un avance particularmente interesante es el de los metamateriales programables: sistemas que se diseñan para alcanzar una determinada forma en 3D "cuando se necesite". Hasta ahora, crear algo tan complejo se consideraba un logro exclusivo de la tecnología desarrollada por el ser humano.

Sin embargo, un nuevo estudio publicado en la revista Nature Communications revela que estos principios han estado en la naturaleza desde hace millones de años.

Una colaboración científica internacional, liderada por laboratorios de la Universidad de Sevilla and Instituto de Biomedicina de Sevilla (IBiS, Hospital Universitario Virgen del Rocío/CSIC/Universidad de Sevilla), el Laboratory for Molecular Cell Biology del University College London (UCL) y el Centro Andaluz de Biología del Desarrollo (CABD, CSIC/Universidad Pablo de Olavide/Junta de Andalucía), ha descubierto el primer metamaterial natural programable en un organismo vivo: el ojo de la mosca Drosophila melanogaster.

Drosophila, la mosca del vinagre, es uno de los modelos biológicos más potentes de la ciencia. Los humanos comparten con ella gran parte de sus genes y la forma en que las células utilizan estos genes para formar tejidos y órganos, lo que permite a los científicos estudiar procesos complejos como la morfogénesis: el proceso por el que señales químicas y mecánicas guían a grupos de células para que se organicen y formen un órgano con una función y forma precisas.

Por definición, los metamateriales debían ser artificiales… hasta ahora. Este equipo multidisciplinar ha demostrado que el ojo de la mosca, durante su desarrollo, posee una malla de células interconectadas formando triángulos. Lo llamativo es que el tamaño de estos triángulos celulares no es uniforme: en algunas zonas los triángulos son mayores que en otras. Esta malla funciona exactamente como un metamaterial programable: la distribución de los tamaños de estos triángulos en dos dimensiones (2D) (el tejido del ojo durante el desarrollo) contiene las instrucciones precisas para que, al aplicarse presión hidrostática al tejido (un proceso similar a inflar un globo de agua), éste adopte la curvatura tridimensional (3D) exacta necesaria para que la mosca adulta vea correctamente.

"Es fascinante ver cómo la naturaleza no solo utiliza la biología para dar forma a los órganos, sino que emplea principios de ingeniería avanzada", explican los autores principales.

"Una vez más, la biología nos sorprende utilizando desde hace millones de años mecanismos que para nosotros representan la vanguardia tecnológica", comenta Juan Garrido García, primer autor del trabajo.

"Hemos descubierto que el ojo de la mosca tiene un 'plano' arquitectónico en 2D que predetermina su forma final en 3D". "Este plano permite que el ojo de la mosca tenga zonas más planas, con mayor agudeza visual (por ejemplo, para identificar las frutas donde crece su alimento favorito, las levaduras, o para encontrar pareja), y otras más curvas, de menor resolución, pero de visión más panorámica, para detectar predadores". "Otro aspecto sorprendente es el tamaño: el ojo de una mosca tiene un diámetro aproximado de 0.5 milímetros. La naturaleza de metamaterial del ojo en desarrollo permite el control preciso de la forma del ojo en esta escala diminuta".

Más allá de la importancia biológica (es posible que muchos otros insectos utilicen esta misma propiedad de metamaterial para generar ojos de distintas formas que sirvan a distintas funciones), este descubrimiento sienta las bases de la morfogénesis sintética. Al entender cómo la naturaleza programa la forma de un tejido sin necesidad de moldes externos rígidos, los científicos pueden empezar a diseñar "tejidos vivos programables".

En el futuro, esta capacidad de controlar la forma 3D de los cultivos celulares mediante sustratos con patrones geométricos podría revolucionar la bioingeniería, permitiendo la creación de órganos artificiales o injertos que, cuando sean implantados, desplieguen su forma diseñada con una precisión sin precedentes, eliminando la dependencia de materiales sintéticos no biológicos.

Este hito ha sido posible gracias a la sinergia de varias instituciones y centros de investigación y diversas disciplinas científicas, uniendo al grupo de Luis M. Escudero, de la Universidad de Sevilla y el IBiS, entre cuyos investigadores se encuentra Juan Garrido García, expertos en el análisis matemático de la organización de los tejidos biológicos; con el grupo de Fernando Casares en el CABD, líderes en el estudio del desarrollo y la evolución del ojo; y con el equipo de Franck Pichaud en el Laboratory for Molecular Cell Biology (UCL), especialistas en biología celular de los epitelios y el sistema visual.

Al integrar biología celular y genética de vanguardia con modelos matemáticos complejos y simulaciones computacionales, desarrolladas en colaboración con la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla, el proyecto demuestra que la intersección entre la biología, las matemáticas y la ingeniería es fundamental para descifrar los secretos de la vida.