Por todos es conocido que la tela de araña es muy fuerte, elástica y exhibe asombrosa propiedades mecánicas. Tiene una resistencia a la rotura comparable a las fibras de acero, una dureza mayor que las fibras de Kevlar y una densidad menor que el algodón o el nylon. Debido a que las fibras de seda siguen superando a sus contrapartes artificial en términos de dureza, muchos estudios han tratado de comprender las características mecánicas de estas extraordinarias fibras naturales. También era conocido que las fibras de seda de araña presentan dos tipos de bloques de construcción, amorfos, suaves y con fuertes componentes cristalinos.

Para una una mejor comprensión de las propiedades mecánicas de las fibras de seda de araña los científicos descubrieron que las subunidades amorfas y blandos son los responsables de la elasticidad de la seda y también ayudan con la distribución de la tensión. La dureza máxima de la seda requiere una cantidad específica de subunidades cristalinas y depende de la forma en que estas subunidades se distribuyen en la fibra.

Mediante modelamientos probaron diferentes arquitecturas estructurales de las subunidades de la fibra para obtener un rendimiento mecánico óptimo. Como resultado determinaron que una serie de las subunidades cristalina y amorfa en los discos presenta un arreglo al azar o en paralelo, lo que sugiere un nuevo modelo estructural de la seda. En conjunto, los resultados proporcionan una comprensión más clara de la naturaleza mecánica de las fibras de seda de araña y puede ser útil para el diseño de fibras de seda artificial.

Referencia

Cetinkaya M, Xiao S, Markert B, Stacklies W, Gräter F. Silk fiber mechanics from multiscale force distribution analysis. Biophys J. 2011 Mar 2;100(5):1298-305.

El tejido óseo consiste en fibras de colágeno en los que el fosfato de calcio se deposita en forma de nanocristales. Un equipo del Departamento de Ingeniería Química de las Universidades de Eindhoven y de de Illinois fueron capaces, en el laboratorio, de simular el crecimiento de fosfato de calcio en el interior del colágeno, al igual que sucede en el cuerpo humano.

Durante mucho tiempo se pensó que el colágeno era sólo una plantilla para la deposición del fosfato de calcio, y que la formación del hueso era controlado por biomoléculas especializados. Sin embargo, las imágenes tomadas por los investigadores demuestran que las fibras de colágeno controlan el proceso de formación de los minerales y por lo tanto la formación ósea directa. Las biomoléculas han demostrado tener un papel diferente en el proceso de mineralización: mantener el fosfato de calcio en la solución hasta que se inicie el crecimiento de los minerales.

El equipo logró visualizar este proceso utilizando un microscopio electrónico único, el cryoTitan. Este microscopio permitió a los investigadores investigar las muestras que fueron congeladas rápidamente, de modo que el proceso podría ser detenido y visto paso a paso. El cryoTitan tiene una resolución extremadamente alta, e incluso pueden distinguir átomos individuales.

Un instituto de investigación italiano ya está desarrollando nuevos implantes de hueso sobre la base de los conocimientos adquiridos por los investigadores ya que el grupo no tiene la intención de dar este paso hacia la producción: “Hemos dado un gran paso adelante en el ámbito de la formación del hueso, pero nuestro interés se centra en la comprensión, no la producción.”

Los nuevos conocimientos adquiridos sobre la formación del hueso han abierto la puerta a una nueva área de investigación para el grupo. El grupo confía en que los mismos principios se pueden utilizar para realizar diversos tipos de nanomateriales. Ya están empezando en la magnetita, un material magnético que puede ser utilizado como marcador biológico o para el almacenamiento de datos. Pero sus ambiciones van más lejos. “Estamos seriamente convencido de que podemos hacer todo tipo de materiales a partir de estos principios,” dijeron los autores.

Referencia

Fabio Nudelman, Koen Pieterse, Anne George, Paul H. H. Bomans, Heiner Friedrich, Laura J. Brylka, Peter A. J. Hilbers, Gijsbertus de With, Nico A. J. M. Sommerdijk. The role of collagen in bone apatite formation in the presence of hydroxyapatite nucleation inhibitors. Nature Materials, 2010; DOI: 10.1038/nmat2875

Una imagen fluorescente del corazón de un mosquito tomadas por un estudiante graduado de Vanderbilt obtuvo el primer lugar en la competencia de microfotografía Nikon Small World 2010.

Jonas Rey tomó la imagen que muestra una sección del corazón del mosquitos ampliada 100 veces. El estudiante es miembro del grupo de investigación de Julián Hillyer, profesor asistente de ciencias biológicas, y la imagen fue tomada como parte de su investigación sobre el sistema circulatorio de Anopheles gambiae, el mosquito que propaga la malaria.

De acuerdo a Nikon, 2.200 imágenes se presentaron el mayor número en la historia de los 36 años de la competición y la imagen ganadora fue considerada por su combinación de belleza estética, la relevancia científica y la dificultad técnica en su captura.

“Sorprendentemente, poco se sabe sobre el sistema circulatorio del mosquito a pesar del papel clave que desempeña en la difusión del parásito de la malaria”, dijeron los investigadores. “Debido a la importancia de este sistema, se espera que una mejor comprensión de su biología contribuirá al desarrollo de nuevas estrategias de control de plagas y enfermedades.”

El corazón del mosquito y el sistema circulatorio es dramáticamente diferente de la de los mamíferos y los seres humanos. En un tubo largo y se extiende desde la cabeza del insecto a la cola y se cuelga justo debajo de la cáscara de la cutícula que forma la parte posterior del mosquito. El corazón constituye la parte posterior de dos tercios del tubo y se compone de una serie de válvulas dentro del tubo y bobinas helicoidales de los músculos que rodean el tubo. Estos músculos hacen que el tubo se expanda y se contraiga, produciendo la acción peristáltica de bombeo.

La mayoría de las veces, el corazón bombea la “sangre” del mosquito, un líquido claro hacia la cabeza del mosquito, pero a veces se invierte la dirección. El mosquito no tiene las arterias y las venas como los mamíferos. En cambio, la sangre fluye desde el corazón en la cavidad abdominal y, eventualmente con los ciclos de vuelta a través del corazón. “El corazón del mosquito funciona algo así como la bomba en una fuente del jardín”, dijeron los autores.

Para mostrar la estructura del corazón de mosquitos, el Rey utilizó dos tipos de tintes fluorescentes, El tinte verde se une con las células musculares y muestra la musculatura subyacente. El colorante azul se une con el ADN celular y muestra la presencia de todas las células del mosquito. El punto de vista de la imagen es de arriba hacia abajo. El cuerpo del mosquito se encuentra en horizontal con la cabeza hacia la izquierda. El corazón es el tubo estrecho que se extiende horizontalmente a través del centro de la imagen. Los músculos que rodean al corazón muestran claramente en verde. Los haces de forma triangular perpendicular al corazón se denominan músculos de Alary que poseen el corazón hasta la espalda de los mosquitos. Cada uno de estos paquetes se centra en una de las válvulas del corazón, que no aparecen con claridad.

Referencia

http://www.nikonsmallworld.com/detail/year/2010/1

http://news.vanderbilt.edu/2010/10/small-world-contest-2010/

Anteriormente, se pensaba que los virus de propagación por tener que entrar en la célula, replicarse allí, y después ser liberados para infectar nuevas células, su tasa de propagación se vería limitada por la rapidez con que podría replicarse.

Sin embargo, un virus llamado virus vaccinia se propaga en una manera diferente y mucho más rápido, según un nuevo estudio en la revista Science por investigadores del Imperial College de Londres.

Vaccinia es un poxvirus y es la vacuna que se utiliza para erradicar la viruela. Utilizando un microscopio de vídeo en vivo, los científicos descubrieron que se estaba propagando cuatro veces más rápido de lo posible, basado en la velocidad a la que se replica.

Los videos de las células infectadas por virus revelaron que el virus se propaga “surfeando” de célula a célula, utilizando un mecanismo que permite al virus descartar las células ya infectadas y por lo tanto llegar más rápidamente a las células no infectadas.

Poco después de que el virus vaccinia infecta una célula, expresa dos proteínas virales en la superficie celular, que marcan las célula como infectados. Cuando posteriormente las partículas virales llegan a la célula infectada, estas proteínas causan que la célula huésped exprese unas proyecciones tipo serpiente denominadas “colas de actina”. Estas colas impulsan las partículas virales fuera de las células infectadas y hacia otras células que puedan infectar. Las partículas virales rebotan de una superficie celular a otra hasta que encuentra una célula no infectada.

En el estudio, los investigadores impidieron que el virus pudiera surfear tranquilamente al mutar las proteínas necesarias para hacer las colas de actina en las primeras etapas de infección y demostraron una disminución espectacular en el  freno a la propagación del virus.

Los investigadores creen que otros virus también emplean estos mecanismos de rápida propagación. Por ejemplo, el virus del herpes simple (VHS-1), que causa el herpes labial, se extiende a un ritmo más rápido que debería ser posible dada su tasa de replicación. Así, este fenómeno descubierto con vaccinia puede ser una característica común en varios virus.

El descubrimiento en última instancia permitirá a los científicos crear nuevos medicamentos antivirales que el objetivo bloquear este mecanismo de propagación.

Haga doble click sobre la Figura para ver el video.

Referencia

Virginie Doceul, Michael Hollinshead, Lonneke van der Linden, Geoffrey L. Smith. Repulsion of Superinfecting Virions: A Mechanism for Rapid Virus Spread. Science, 2010; DOI: 10.1126/science.1183173

La fluorescencia es un fenómeno en el que un electrón de una molécula absorbe energía de la luz y se mueve a un nivel de energía superior o estado excitado. La energía de la luz está contenida en una unidad llamada fotón. Después de una estancia muy breve en el estado excitado, el electrón vuelve a su nivel de energía anterior, o estado fundamental, mediante la emisión de un nuevo fotón. La energía de los fotones liberados se descarga en longitudes de onda de luz visible, detectables sólo duran unas pocas millonésimas de segundo. Esta propiedad se denomina fluorescencia.

Sin embargo muchas moléculas de color biológicamente importantes, como la hemoglobina – una proteína que transporta el oxígeno en los glóbulos rojos – absorben la luz, pero no fluorescen. En cambio, los electrones en estas moléculas liberan su energía adicional, pero transitoria mediante la conversión del calor excesivo. “Dado que estas moléculas no son fluorescentes, literalmente han sido pasadas por alto por los modernos microscopios ópticos”, dijo Xie.

Para detectar moléculas no fluorescentes en los sistemas biológicos, Xie y su equipo desarrollaron un nuevo tipo de microscopio basado en la emisión estimulada.

La emisión estimulada fue descrita por primera vez por Albert Einstein en 1917, y fue la base de los láseres de hoy. En pocas palabras, es un proceso por el cual un electrón en estado excitado, perturbado por un fotón con la energía correcta, se reduce a su estado fundamental, produciendo un fotón adicional.

La técnica microscópica de Xie genera nuevos registros y una señal de emisión estimulada mediante dos trenes de pulsos (entrada y salida) cuidadosamente programados temporalmente . En el tren de pulsos de entrada, un modulador cambia la intensidad del haz de excitación y fuera de las cinco MHz. La modulación crea una señal de emisión estimulada en la misma frecuencia. Cada tren tiene una duración de pulso muy corto de aproximadamente 200 femtosegundos. Un femtosegundo equivale a una mil millonésima de una millonésima de segundo o 10e-15 segundos.

La señal producida por la falta de moléculas fluorescentes proporciona una imagen altamente sensible de las moléculas que antes eran “invisibles”.

Una de las varias aplicaciones posibles de la invención de los científicos es la cartografía en color de la entrega de medicamentos no fluorescentes a sus células diana. Otro uso posible es la imagen de las estructuras pequeñas, como los vasos sanguíneos como los glóbulos rojos y los vasos capilares.

La estructura y la dinámica de la hemoglobina de los vasos sanguíneos desempeñan un papel importante en muchos procesos biomédicos. Dos ejemplo son los procesos de la transición de los tumores de un estado inactivo a los malignos y el suministro de oxígeno en el cerebro.

Las actuales tecnologías de imagenes, como la resonancia magnética y la tomografía computarizada o bien carecen de la resolución espacial necesaria para resolver los capilares individuales o exigen a los agentes de contraste externo.

Las etiquetas fluorescentes como la proteína fluorescente verde o GFP, son ampliamente utilizados para la observación de la actividad de las biomoléculas y distinguir las moléculas blanco en una celda. La técnica de etiquetado GFP proporciona imágenes bien definidas. Sin embargo, las proteínas voluminosas pueden perturbar delicadas vías biológicas, especialmente cuando es más grande que las biomoléculas.

El equipo de Xie es capaz de mapear la entrega de drogas una molécula no fluorescente y los vasos sanguíneos fotografiadas sin etiquetas fluorescentes.

La nueva técnica también es capaz de visualizar las proteínas no fluorescentes en las células de la bacteria Escherichia coli en vivo.

“Mientras que los estudios anteriores con experimentos similares proporcionaron imágenes de moléculas fluorescentes con una resolución espacial similar a la de la microscopía de fluorescencia y confocal de alta resolución temporal, el presente estudio, por primera vez, hace uso de la microscopía de emisión estimulada a la imagen de moléculas no fluorescentes “, dijo Zeev Rosenzweig, director del programa en la División de Química de la National Science Foundation.

Aunque la foto de los posibles daños, y de la complejidad y el costo del sistema todavía deben ser abordados por la técnica para conseguir una amplia aplicación, “no hay duda de que el estudio ofrece una forma única de imagenes de una amplia gama de moléculas actualmente inaccesible hoy para el estado de arte de los microscopios ópticos “, apunta Rosenzweig.

“Esto es sólo el comienzo”, agregó Xie. “Muchas aplicaciones interesantes de esta nueva modalidad de imagen se vienen a futuro”.

Referencia

Min W, Lu S, Chong S, Roy R, Holtom GR, Xie XS. Imaging chromophores with undetectable fluorescence by stimulated emission microscopy. Nature. 2009 Oct 22;461(7267):1105-9.

La decoloración de los corales es el blanqueamiento de estos debido a una ruptura de la simbiosis (dos organismos cuya vida en común los beneficia a ambos) con unas pequeñas algas fotosintéticas. Estas criaturas unicelulares residen dentro de los tejidos del coral y proporcionan al organismo huésped hasta con un  90 por ciento de su energía. Es la energía solar, los productos químicos derivados de las algas que dan a las especies de coral del mundo un arco iris de colores vivos.

Desafortunadamente, las colonias de coral de gran valor ecológico están siendo amenazadas en todo el mundo por unas bacterias (Vibrio coralliilyticus), que vive en los océanos. Cuando el microbio se convierte en virulento, puede infiltrarse en los corales y desalojar a las algas, causando que el coral pierde su pigmentación. Si la simbiosis se rompe el tiempo suficiente, el coral se muere de hambre.

Los científicos ambientalistas han demostrado en los experimentos de laboratorio que la virulencia de V. coralliilyticus depende de la temperatura, es decir provocan la decoloración a temperaturas superiores a 24 grados Celsius (75 grados Fahrenheit). Estos hallazgos han hecho surgir la preocupación de que la temperatura del océano cada vez mayor, ya sea a través de los cambios estacionales naturales o las tendencias del cambio climático, pueden conducir a un mayor riesgo de decoloración de los corales. Durante las últimas dos décadas, se ha informado de que cerca del 30 por ciento de los arrecifes de coral del mundo, y sus ecosistemas adyancentes, han sido severamente degradados por la decoloración.

En un artículo publicado en la revista Ciencia y Tecnología Ambiental, el equipo de investigación describió cómo utilizar la resonancia magnética nuclear (RMN) para estudiar los cambios metabólicos en el patógeno V. coralliilyticus con las fluctuaciones de la temperatura. La técnica permitió el descubrimiento de pequeñas moléculas del metabolismo de los compuestos relacionados que se correlacionan con diferentes condiciones biológicas. En este estudio, cuando aumenta la temperatura de 24 a 27 grados Celsius aumentaron los niveles de tres compuestos – la betaína, el glutamato y el succinato – que ayudan a regular la producción de energía y la presión osmótica, un mecanismo para mantener la integridad celular en la bacteria. Estos cambios metabólicos pueden ser las claves para saber por qué el pequeño cambio de temperatura puede convertirse a la bacteria causante de la decoloración de los corales. Los investigadores esperan que estos hallazgos conduzcan a una mejor comprensión de las relaciones simbióticas que existen en los corales sanos y los posibles efectos sobre las relaciones en las cambiantes condiciones ecológicas.

Referencia

oroujerdi et al. NMR-based microbial metabolomics and the temperature-dependent coral pathogen Vibrio coralliilyticus. Environmental Science & Technology, 2009; 43 (20): 7658 DOI: 10.1021/es901675w

“Esta es la primera vez que todos los átomos de una molécula son fotografiados,” dijo el investigador principal Leo Gross.

Los investigadores se centraron en una sola molécula de pentaceno, que se utiliza comúnmente en las celdas solares. La forma rectangular de la molécula orgánica está compuesta por 22 átomos de carbono y 14 átomos de hidrógeno.

En la imagen superior las formas hexagonales de los cinco anillos de carbono están claros, e incluso pueden ser visto las posiciones de los átomos de hidrógeno alrededor de los anillos de carbono.

Para dar una perspectiva, el espacio entre los anillos de carbono es sólo el 0,14 nanómetros de ancho, que es aproximadamente un millón de veces más pequeño que el diámetro de un grano de arena.

“Si usted piensa acerca de cómo el médico utiliza una radiografía de los huesos de la imagen y los órganos dentro del cuerpo humano, estamos usando el microscopio de fuerza atómica para lograr imágenes de las estructuras atómicas que son la columna vertebral de las moléculas individuales”, dijo el investigador de IBM, Gerhard Meyer.

El equipo de investigación de IBM Zurich dijo que los resultados podrían tener un impacto enorme en el campo de la nanotecnología, que pretende comprender y controlar algunos de los objetos más pequeños conocidos por la humanidad.

La microscopía de fuerza atómica utiliza una punta de metal afilados que actúa como un tenedor de ajuste para medir las fuerzas pequeñas entre la punta y la molécula. Esto requiere una gran precisión ya que la punta se mueve dentro de un nanómetro de la muestra.

“Por encima de la estructura molecular de la columna vertebral (de pentaceno) tiene una desafinación diferente que por encima de la superficie de la molécula  que yace sobre él”, dijo el Sr. Gross. Este desajuste se mide y se convierte en una imagen.

El experimento fue realizado dentro de un alto vacío a una temperatura extremadamente fría de-268C para evitar que las moléculas de gas callejeros o vibraciones atómicas afectaran las mediciones.

“Con el tiempo queremos investigar el uso de moléculas para la electrónica molecular”, el Sr. Gross.

Referencia:

Leo Gross, Fabian Mohn, Nikolaj Moll, Peter Liljeroth, and Gerhard Meyer. The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy. Science 28 August 2009: 1110-1114.