Enzimas de esponja: los pequeños albañiles de la naturaleza

La biomineralización es la formación de estructuras compuestas que contienen materiales inorgánicos en organismos vivos, por ejemplo, una cáscara de huevo o un diente. El biosílice es un biomineral importante que se produce en cantidades del orden de gigatoneladas mediante biosilicificación, principalmente por parte de organismos marinos como las esponjas silíceas.

Las frágiles y, a la vez, intrincadas estructuras de biosílice que pueden observarse en estas esponjas poseen longitudes que van de los nanómetros a los milímetros. Desde su descubrimiento, la comunidad científica ha manifestado su asombro ante estos hermosos entramados abiertos de espículas de biosílice con forma estrellada y de varillas. Además, poseen propiedades muy interesantes para quienes deseen darles aplicación: las estructuras de sílice a escala nanométrica constituyen componentes esenciales en la micro y nanoelectrónica, por ejemplo en aislantes y guías de ondas ópticas. Además, el biosílice podría garantizar la biocompatibilidad, una propiedad indispensable en los implantes médicos.

En el Centro Médico Universitario de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (Alemania), el profesor Werner E. G. Müller y sus colaboradores del Instituto de Química Fisiológica están aprovechando una subvención avanzada del Consejo Europeo de Investigación (CEI) para desentrañar los mecanismos fundamentales de la biomineralización, y en concreto de la biosilicificación, y también para aprovechar los procesos correspondientes con el fin de desarrollar toda una gama de tecnologías nuevas y apasionantes.

«Es emocionante contemplar la capacidad de la naturaleza para dar con estrategias efectivas para distintos fines. En la química, todo cambio se encuentra restringido por la energía de activación necesaria para que se produzca una reacción química; para que algo ocurra, hay que aportar gran cantidad de energía —explica Werner Müller—. En cambio, en las reacciones bioquímicas esto se consigue gracias a catalizadores naturales que permiten reducir la energía de activación que se necesita. En el caso de la biosilicificación, esta función catalítica recae en enzimas».

Según señaló, actualmente, para fabricar componentes ópticos y nanoestructuras de sílice tienen que lograrse condiciones extremas: para obtener fibras ópticas de sílice, temperaturas cercanas a los mil grados centígrados. Y sin embargo, las esponjas consiguen resultados similares a temperatura ambiente con un gasto energético muy inferior valiéndose de enzimas que agilizan los procesos químicos sencillamente mediante uniones provisionales con los materiales presentes.

Partiendo de un paradigma nuevo

«El descubrimiento en la última década de la silicateína, un catalizador enzimático, y de su función en la formación de biosílice inorgánico trajo consigo un cambio de paradigma para los investigadores. Ahora sabemos que sólo hay unas pocas enzimas capaces de controlar las reacciones, pero nuestra investigación muestra que esto no es un hecho exclusivo del biosílice. Empleando enzimas específicas también se pueden producir otros biomateriales que contienen metales», explica el profesor Müller. Su equipo está elevando a un nivel superior la investigación sobre la biosilicificación al introducir técnicas punteras procedentes de la biología estructural, la bioquímica, la bioingeniería y la ciencia de los materiales. Esta investigación ya ha dado frutos en un estudio paralelo, Si-Bone, que fue posible gracias a una subvención a la prueba de concepto (PoC) del CEI.

«Las estructuras de las esponjas presentan una diversidad extrema, tal y como ocurre con los huesos de los animales, ya que cada especie presenta su propio "plan corporal". Aunque desconocemos cómo viene esto determinado en los humanos, hemos descubierto que el crecimiento óseo está controlado también por enzimas, lo cual nos ha permitido producir implantes protésicos usando biosílice obtenido in vitro. Se ha demostrado la elevada biocompatibilidad de estos implantes en experimentos con animales. Es decir, el organismo receptor no los rechaza».

«También empezamos a apreciar que ofrecen otras ventajas. Son biodegradables con el tiempo, por lo que no es necesario operar para extraerlos, como sí ocurre con los clavos de metal empleados en la cirugía de reparación de fracturas. Y lo que es mejor, su lenta biodegradación permite una regeneración controlada de hueso, al tiempo que, aparentemente, el biosílice también favorece el crecimiento de hueso nuevo. Esto no sorprende puesto que el cuerpo humano contiene biosílice, mientras que las esponjas vítreas se encuentran entre los primeros organismos que evolucionaron sobre la faz de la Tierra. Se cree que son antepasados de los vertebrados, hipótesis reforzada por esta elevada biocompatibilidad».

«En Si-Bone estamos desarrollando en mayor medida esta investigación. Concretamente, estudiamos el papel que podría desempeñar la enzima silicateína en la prevención e incluso cura de la osteoporosis, una enfermedad ósea relacionada con el envejecimiento que comporta costes muy elevados y un gran sufrimiento para quienes la padecen, y cuya prevalencia se encuentra en alza, además, por el incremento de la esperanza de vida».

Fuente: profesor Werner Ernst Ludwig Georg Müller

- Coordinador del proyecto: Centro Médico Universitario de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia, Alemania
- Título del proyecto: From gene to biomineral: Biosynthesis and application of sponge biosilica
- Acrónimo del proyecto: BIOSILICA
- web de la Universidad de Medicina de Maguncia
- Programa de financiación del 7PM (convocatoria del CEI): subvención avanzada (Advanced Grant) 2011
- Financiación de la CE: 2 200 000 euros
- Duración del proyecto: 5 años

Documentos de referencia

Müller W.E.G., Wang X.H., Grebenjuk V., Diehl-Seifert B., Steffen R., Schloßmacher U., Trautwein A., Neumann S. and Schröder H.C. (2013), Silica as a morphogenetically active inorganic polymer: effect on the BMP-2-dependent and RUNX2-independent pathway in osteoblast-like SaOS-2 cells; Biomaterials Sci. 1: 669-678
Müller W.E.G., Schröder H.C., Burghard Z., Pisignano D. and Wang X.H. (2013), Silicateins – A novel paradigm in bioinorganic chemistry: Enzymatic synthesis of inorganic polymeric silica; Chemistry Eur. J., 19:5790-5804
Wang, X.H., Schröder, H.C., Wang, K., Kaandorp, J.A. and Müller, W.E.G. (2012), Genetic, biological and structural hierarchies during sponge spicule formation: From soft sol-gels to solid 3D silica composite structures; Soft Matter, 8:9501-9518.