Estudio pionero en Chile: con mini robots desvelan los secretos de las bacterias magnéticas

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    Los investigadores del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa, Néstor Sepúlveda (UAI) y Francisca Guzmán (DFC- UChile), junto al doctor en Física, Andrés Concha (UAI), crearon simulaciones computaciones y un modelo experimental con más de 100 mini robot magnéticos para estudiar el comportamiento de las bacterias magnetotácticas, que diversos científicos investigan por su potencial uso en biomedicina.

    Las bacterias magnetotácticas son un grupo de microbios acuáticos, que viven en ríos, pantanos y lagos del mundo, que se caracterizan por poseer en su interior una cadena de nanopartículas magnéticas, llamada magnetosomas. Una especie de “columna vertebral de imanes” que funciona como una brújula y que les permite orientarse, según el campo magnético de la Tierra y, así nadar y guiarse en busca de nutrientes y zonas bajas en oxígeno, que es el ambiente que necesitan para reproducirse.
    Esta es una cualidad que ha llamado la atención de la ciencia, debido a su potencial uso como biorobots con aplicaciones médicas, dado que pueden -eventualmente- ser controladas mediante la aplicación de campos magnéticos externos a ellas. Conocer más sobre su comportamiento y desentrañar cómo se desenvuelven en diversos escenarios se ha vuelto crucial para la ciencia.
    Francisca Guzmán, investigadora principal en el Núcleo Milenio Física de la Materia Activa y académica del Departamento de Física (DFC) de la Universidad de Chile realizó en 2016 un estudio -publicado en la revista Nature- donde analizó el comportamiento de bacterias magnéticas artificiales. En dicho trabajo descubrió que las colonias de estas bacterias podían organizarse, formando cadenas, vórtices y diversas configuraciones -hasta entonces desconocidas-, según fueran sus necesidades.
    Dos años después, Andrés Concha, doctor en Física y docente de la Universidad Adolfo Ibáñez (UAI) decidió hacer un estudio experimental para ver si las configuraciones que la doctora Guzmán había descubierto a nivel microscópico se repetían a nivel macro, es decir, con objetos más grandes que pudieran verse a simple vista. Los objetos escogidos para los experimentos fueron los hexbugs, una suerte de “bichitos” robóticos, del tamaño de una cabeza de cepillo de dientes, que se usan en diversas investigaciones de física.
    Néstor SepúlvedaEs así como en 2019, el equipo conformado por los doctores Concha (UAI) y Guzmán (DFC-UChile), además del investigador principal del Núcleo Milenio y docente en la UAI, Néstor Sepúlveda, colocaron en un corral circular un centenar de estos mini robots, a cada uno de los cuales les agregaron un caparazón con un magneto, para estudiar sus movimientos.
    Néstor Sepúlveda experto en física computacional aplicada a la biología, realizó las simulaciones computaciones para ir registrando los movimientos de esta colonia de pequeños robots y dotarlos de las características de las bacterias magnéticas, pero a macroescala. “Podíamos controlar su velocidad a través de la pila que usaban y la intensidad de los magnetos, que íbamos cambiando para ver sus comportamientos”, dice la doctora en Fluodinámica, Francisca Guzmán.

    Límite biológico
    En la investigación, publicada en arXiv, los fisicos (as) descubrieron que los robots se comportaban igual que las bacterias lo hacían a nivel microscópico, formando estructuras como cadenas, vórtices y otras configuraciones. Sin embargo, también vieron que cuando la intensidad del imán era aumentada, los robots dejaban de armar estas formas para generar duplas que giraban sin parar. “Eso nos dice que hay un límite biológico para la intensidad de ese magneto en la vida real. Estas bacterias lo deben tener débil, porque si tuvieran un magneto de alta intensidad no podrían sobrevivir, no podrían vivir en comunidad, ya que se acoplarían en duplas y serían incapaces de nadar”, dice la investigadora.
    Los experimentos revelaron, además, que no sólo los sistemas pasivos -o que no se autopropulsan-, tienen configuraciones metaestables (o de baja energía) al interactuar magnéticamente. Los sistemas activos también las pueden tener, aunque de forma distinta. “En las partículas pasivas existen ciertas configuraciones, metaestables, porque el sistema está en equilibrio cuando existe la interacción magnética. Pero cuando las cosas se mueven o tienen alguna actividad, vimos que también se pueden ver estados metaestables, lo que desde el punto de vista de la física es muy interesante, ya que no se había visto de forma experimental”.
    Los resultados de esta investigación pueden impactar tanto en física, como ecología y medicina, ya que conocer más sobre los límites biológicos de estas bacterias magnéticas y su comportamiento al nadar en grupo, permite estudiar nuevos estados y configuraciones en los sistemas activos; entender como han evolucionado y la importancia de la vida en colonia en sus nichos ecológicos naturales; además de tener más información a la hora de usarlas en potenciales investigaciones biomédicas para reparar tejidos o llevar fármacos directo a tumores, estudios que están realizando diversos científicos en el mundo, entre ellos un equipo de investigadores del Núcleo Milenio, encabezado por la doctora María Luisa Cordero.

    Puedes ver esta investigación en esta cápsula animada financiada por el Programa PME de Iniciativa Científica Milenio, de Centros ANID, Ministerio de Ciencia, Tecnología, Conocimiento e Innovación de Chile.