Un cosmos en un puño
Un ecosistema en miniatura, formado por un crustáceo y un alga, pudo ser encapsulado en una matriz de sílice y podría emplearse para fabricar sensores capaces de ser usados en ensayos de ecotoxicidad. Así se podrían dar alertas tempranas acerca de la contaminación en un ambiente acuático.
Ejemplar femenino adulto de Daphnia magna. Foto: Hajime Watanabe – PLoS Genetics
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Si alguien nos dijera que puede atrapar el mundo en un puño, o que es capaz de enjaularlo en un recipiente de vidrio, seguramente no le creeríamos, o pensaríamos que lo que está apresando es sólo una escenografía, como la de esas bolas de cristal que encierran un pequeño paisaje de plástico que se cubre de nieve al agitar el recipiente.
Sin embargo, hoy es posible encapsular en una matriz de vidrio un microcosmos y lograr que se mantenga con vida a pesar del encierro. Lo cierto es que un crustáceo y una población de microalgas pueden vivir, interactuar, alimentarse y reproducirse dentro de una cápsula de sílice, el material con que se fabrica el vidrio. Así, el alga (Pseudokirchneriella subcapitata) respira y hace fotosíntesis, y el pequeño crustáceo (Daphnia magna) se alimenta de ella y se reproduce, según explica Mercedes Perullini, investigadora del INQUIMAE (UBA CONICET) en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA.
Las daphnias son pequeños crustáceos que miden entre 0,2 y 5 milímetros, habitan en ambientes acuáticos, ríos y lagos, se alimentan de fitoplancton y se reproducen por partenogénesis, es decir, se desarrollan a partir de células sexuales femeninas no fecundadas.
Pero ¿por qué tener prisioneros a esos organismos? “El objetivo es tener un dispositivo capaz de evaluar la toxicidad de una muestra de agua, por ejemplo”, adelanta Perullini, primera autora del trabajo publicado en Biotechnology Reports, junto con Matías Jobbágy y Sara Aldabe Bilmes, del INQUIMAE, y Frédéric Orias y Claude Durrieu, del Centro ENTPE, de Lyon, Francia.
“Encapsulamos a ese crustáceo porque es útil en ensayos de ecotoxicidad, que es un concepto más global que evaluar toxicidad sobre una sola especie”, señala la investigadora. La ecotoxicidad es el resultado de la acción de uno o varios contaminantes no ya sobre una especie en particular sino sobre un ambiente determinado. La idea es que el microcosmos encapsulado pueda funcionar como un sensor que permita evaluar la presencia de contaminantes en un cuerpo de agua.
“Estos dispositivos podrían emplearse como alerta temprana; se pueden colocar en un curso de agua contaminado, y obtener, en forma inmediata, una señal positiva o negativa respecto de si hay contaminación presente o, al menos, si esa contaminación se encuentra en una concentración que resulta tóxica para los organismos”, detalla Perullini.
Todo bicho que camina
Desde su tesis de doctorado, Perullini ha desarrollado sensores mediante el encapsulado de diversos organismos, como bacterias, levaduras y microalgas. En cada caso, se trataba de una única especie. En cambio, el desarrollo actual involucra la interacción de al menos dos especies pertenecientes a grupos muy diferentes, como lo son los crustáceos y las algas.
¿Por qué es mejor estudiar un microcosmos formado por organismos diversos que ver cómo se ve afectada una sola especie? Si se analiza el efecto de un contaminante sobre un alga, por ejemplo, puede suceder que ésta acumule el compuesto pero no sufra cambios evidentes que den señales de toxicidad. Del mismo modo, si el mismo contaminante actúa sobre el crustáceo, puede no generarle problemas, porque el compuesto no ingresa en su organismo. En cambio, si el crustáceo ingiere el alga, que ha acumulado el compuesto tóxico, seguramente mostrará signos de contaminación. En otras palabras, si uno prueba la toxicidad sobre especies individuales, puede no tener respuesta o tener una respuesta diferente que si la prueba se efectúa sobre un ecosistema.
Para que los organismos puedan mantenerse con vida y realizar sus funciones dentro de la pequeña cárcel, es importante la forma de realizar el encapsulado. “El método se compone de dos pasos. Primero encapsulo los organismos en un material orgánico y, luego, ese conjunto lo introduzco en una mezcla de precursores o reactivos que generan la matriz inorgánica de encapsulado in situ”, explica Perullini.
Tradicionalmente, el encapsulado se efectuaba en forma directa, es decir, se atrapaba en sílice al microorganismo en cuestión, pero éste no tenía espacio ni para crecer ni para dividirse. Sin embargo, en los trabajos realizados en el INQUIMAE, se realiza una encapsulación previa mediante un polímero biológico que protege a la célula; es un polisacárido, denominado alginato, que se extrae de las algas pardas, y forma un gel.
Matías Jobággy, Sara Aldabe Bilmes y Mercedes Perullini.
Hacia el biosensor
El microcosmos enjaulado, desarrollado por Perullini y sus colaboradores, que tiene el tamaño de una cubeta de dos centímetros de diámetro por tres de alto, puede dar lugar a un biosensor, que puede llevarse sin problemas al sitio cuyas aguas se desea analizar.
Por el contrario, los estudios de ecotoxicología que se venían realizando habitualmente requieren que las muestras a analizar sean transportadas al laboratorio, pues utilizan numerosos recipientes con una capacidad de cinco litros, y en cada uno se evalúa una concentración determinada de la muestra de agua contaminada. También se realizan controles sin el contaminante, y con el contaminante en distintas concentraciones, según explica Perullini.
Por otra parte, en esos sistemas de mayor tamaño, lo que se estudia es una población de organismos. Por ejemplo, si se trata de crustáceos, para saber si son afectados por la contaminación, es necesario calcular el número de individuos y los tamaños, para determinar si pudieron tener cría. Si no logran reproducirse, es un signo de presencia de toxicidad.
Pero estudiar a toda una población lleva mucho tiempo. En cambio, en el sistema desarrollado por Perullini, se efectúa el seguimiento de un solo individuo, lo cual acorta el tiempo del análisis.
“La idea es estudiar toda una población, pero a nivel del individuo, lo que da información más rápida y se puede evaluar a través de imágenes digitales”, precisa la investigadora. Es decir, con una cámara se puede registrar el desarrollo de las algas o del crustáceo. En este último caso puede saberse, por ejemplo, si tuvo modificaciones en su movilidad.
Si bien estos dispositivos no pueden evaluar con precisión qué contaminante afecta qué organismo en particular, sería posible generar distintos microcosmos, que incluyeran diferente tipos de organismos.
Por otro lado, también puede aprovecharse la selectividad que aporta la matriz inorgánica. La muestra de agua que se quiere analizar debe atravesar los poros de la matriz para llegar al organismo en cuestión y producir algún efecto. Pero, mediante la manipulación del tamaño de los poros y de las características de la matriz, es posible permitir el paso de ciertas moléculas e impedirlo a otras. De este modo puede lograrse una mayor selectividad, y evaluar por separado los efectos de distintos contaminantes.
Lo novedoso de este desarrollo es haber logrado que los crustáceos puedan mantenerse con vida dentro de la cápsula. “Después de dos días tuvimos un 96% de sobrevida, y también se reprodujeron”, confirma Perullini.
