La biomimética, ciencia que toma la naturaleza como inspiración para crear tecnologías que resuelvan problemas humanos, es ahora tenida en cuenta para desarrollar productos que imiten los mejores atributos de la naturaleza y obtener, así, el máximo rendimiento con el mínimo impacto.

La próxima frontera es adaptar los mecanismos de iluminación usados por varios seres vivos (bioluminiscencia) a la biotecnología. Varias industrias, desde la iluminación a la medicina, pasando por la electrónica y la informática, aguardan ya a los prometedores resultados.

Las tecnologías más avanzadas y eficientes están en los organismos

Hay aplicaciones biomiméticas relacionadas con los tejidos, la construcción, la movilidad o el consumo más eficiente de los recursos.

Las técnicas de biomimesis darán con productos que usaremos a diario en los próximos años, cuando intentaremos mantener nuestro nivel de vida y, a la vez, reducir nuestro impacto ecológico. Desde edificios que se termorregulan como un termitero africano, a sistemas de refrigeración que no requieren fricción, pasando por diseños de alfombras que imitan los colores del sotobosque o tejidos hidrofóbicos como la piel de tiburón.

También se ha logrado una cinta adhesiva reusable estudiando la adherencia de los camaleones, turbinas más eficientes al imitar la aleta de una ballena, pinturas que repelen el agua y la suciedad como la flor de loto, tejidos para recolectar el agua de niebla y de la humedad ambiental, trenes más aerodiámicos y silenciosos al imitar la zambullida del martín pescador, o incluso vehículos que serían capaces de hacer su propia fotosíntesis (absorbiendo CO2 para propulsar sus pilas y emitiendo oxígeno como efluente).

Entender y reproducir la iluminación de los animales

La bioluminiscencia no debe confundirse con la fluorescencia, la fosforescencia o la refracción de la luz, técnicas empleadas también por numerosos organismos. Es un recurso evolutivo presente en bacterias, hongos, protistas unicelulares, celentéreos, gusanos, moluscos, cefalópodos, crustáceos, insectos, equinodermos y peces.

El principal atractivo de la bioluminiscencia es su propia naturaleza, al tratarse de la producción de luz en distintos organismos sin producir calor, que en las aplicaciones humanas debe entenderse a menudo como pérdida innecesaria -malgasto- de energía.

Por ejemplo, la bombilla incandescente de Thomas Edison, o la corriente usada electrodomésticos, aparatos informáticos y electrónicos, produce calor (energía disipada al fin y al cabo) que no es aprovechado y, a menudo, debe ser combatido con un coste adicional. Los ordenadores se recalientan, de modo que incluyen ventiladores internos que, a su vez consumen energía.

Una luz que no contamina, ni calienta, ni se agota

La iluminación entre los organismos vivos interesa especialmente por su eficiciencia y escaso impacto, ya que no hay energía que se disipe en forma de calor residual, al tratarse de una luz “fría”, obtenida a través de mecanismos que han evolucionado durante millones de años.

Los organismos bioluminiscentes usan la luz con fines como para orientarse en zonas abisales o ausentes de luz, emparejarse (luciérnagas), atraer predadores (pejesapos), repeler enemigos (cefalópodos y gusanos), comunicarse (bacterias), o incluso para camuflarse (como los cefalópodos que modulan su iluminación para que se confunda con la ambiental).

El mecanismo de la iluminación animal

Los animales se iluminan usando tres técnicas, intracelular, extracelular y mediante la ayuda de bacterias simbióticas, especializadas en bioluminiscencia.

La técnica intracelular es generada por células especializadas del propio organismo, y su luz se emite al exterior a través de la piel traslúcida, o tras filtrarse a través de tejidos reflectantes (en luciérnagas, por ejemplo).

Por el contrario, los organismos que generan la luz fuera de sus células (mecanismo extracelular), se sirven de la reacción entre dos tipos de pigmento que, al entrar en contacto entre sí, iluminan. Se trata de la luciferina y la luciferasa, sintetizadas en animales como crustáceos y algunos cefalópodos.

Finalmente, en la técnica de iluminación con bacterias luminiscentes, los animales marinos que se sirven de ella como celentéreos, gusanos, moluscos, equinodermos y peces, guardan bacterias luminiscentes en numerosas pequeñas vejigas distribuidas en diversos lugares del cuerpo.

Molécula + enzima + un poco de oxígeno = luz

En un reportaje sobre el potencial biotecnológico de las técnicas bioquímicas usadas por los seres vivos para producir luz que no calienta y se regenera fácilmente, The Economist explica que la comunidad científica se ha interesado hasta ahora por el mecanismo extracelular de producción lumínica, en el que se emplean las sustancias luciferina y luciferasa, al ser el más sencillo de reproducir en el laboratorio.

Este mecanismo, ajeno a la célula y que no requiere almacenar bacterias bioluminiscentes, requiere únicamente oxidar con oxígeno la molécula orgánica luciferina, un proceso en el que el organismo se ayuda de la encima luciferasa. La reacción genera luz, dióxido de carbono y un componente llamado oxiluciferina. Si bien algunos animales ser sirven sólo de esta reacción para producir luz, otros necesitan moléculas adicionales para activar el proceso. Es el caso de las luciérnagas.

Según The Economist, este proceso reactivo que se sirve de una molécula y una enzima, podría reproducirse y aplicarse en diversos campos biotecnológicos, desde la medicina a las tecnologías verdes.

La fascinación humana por la bioluminiscencia

La fascinación humana documentada por los animales capaces de producir luz se remonta a la Época Clásica, cuando ya se describen hongos, luciérnagas y cefalópodos luminiscentes. The Economist recuerda que Aristóteles ya hablaba de la bioluminiscencia en en siglo IV aC. A diferencia de la luz de una vela, observó, la luz de las luciérnagas y gusanos no desprendía calor.

En el siglo I de nuestra era, el escritor, naturalista y militar Plinio el Viejo documentó las criaturas luminosas que había localizado junto a su casa en la bahía de Nápoles, incluyendo medusas y una especie de crustáceo bioluminiscente considerada una delicia en su tiempo.

En su Historia natural, escribió: “está en la naturaleza de estos peces iluminarse en la oscuridad con una luz brillante cuando la otra luz es ausente… y destellear tanto en la boca de quienes los degustan como en sus manos”. 

El naturalista no se conformó con describir las especies bioluminiscentes observadas, sino que pensó en su aplicación práctica: un bastón sumergido en la brillante viscosidad de una medusa, observó, “iluminará el camino como una antorcha”.

Si los avances biotecnológicos progresan como se espera, pronto propuestas como la antorcha de Plinio el Viejo serán posibles.

Aplicaciones

El químico pionero del siglo XV Robert Boyle emprendió los primeros intentos documentados de descrifrar la “luz viviente”. Descubrió que los hongos bioluminiscentes dejaban de producir luz cuando eran introducidos en un recipiente sin oxígeno, aunque el motivo de este fenómeno no se conoció con detalle hasta las últimas décadas.

Los hongos observados por Boyle empleaban el mecanismo de iluminación extracelular a través de la molécula luciferina, activada con la enzima luciferasa. Para que tenga lugar la reacción, la luciferina necesita oxígeno, lo que explica el fenómeno observado por el químico medieval.

Árboles luminosos

Al conocer los mecanismos precisos con que los animales producen luz biológica, investigadores y empresas experimentan con sus usos potenciales, explica The Economist. Desde iluminar otros procesos biológicos a monitorizar la expansión de una enfermedad (literalmente, iluminándola), o detectar la contaminación, etcétera.

Ya se han logrado crías de mamífero con tejidos bioluminiscentes, y se habla de experimentar con plantas. Entre las posibles aplicaciones biotecnológicas para la luz biológica, se cuentan:

• Árboles luminosos, que podrían disponerse en espacios públicos, o alinearse en autopistas, para aumentar la seguridad y reducir la factura eléctrica pública.
• Árboles de navidad que no requerirían iluminación artificial.
• Plantas con luz biológica que se iluminarían cuando necesitaran agua.
• Métodos para detectar la contaminación bacteriana de alimentos. Por ejemplo, productos contaminados con E. coli serían detectados al instante, debido a su luz biológica, activada en presencia de la bacteria.
• Identificadores biológicos que podrían ser aplicados en todo tipo de organismos para su control y trazabilidad (incluidos los humanos).
• Detectores luminosos de determinadas especies bacterianas en entornos concretos.

Pensar como Plinio el Viejo

Imagino pantallas de dispositivos electrónicos e informáticos con iluminación biológica, que no requeriría energía ni generaría calor. Hogares y edificios empresariales o públicos iluminados por estructuras vivas, como plantas bioluminiscentes, que reducirían el consumo eléctrico (todavía dependiente del consumo de combustibles fósiles) y evitarían el derroche energético.

Los objetos y utensilios de que nos hemos rodeado tendrían mucho más sentido, además de un impacto muy inferior, si lográramos pensar como Plinio el Viejo, un estoico. 

No se conformó con observar y describir a los calamares bioluminiscentes del golfo de Nápoles, sino que imaginó que un bastón y una medusa luminosa hacían una antorcha.