Cuando la física y los dinoflagelados se conocen.

Ensenada, Baja California, México. Los dinoflagelados, este grupo extenso de microalgas, produce una gran variedad de sustancias bioactivas que, así como pueden generar graves problemas para las actividades económicas como la acuicultura y las pesquerías al generar “mareas rojas”, suscitan un amplio interés para el sector farmacéutico y alimentario, ya que son útiles para combatir enfermedades como el cáncer, por sus propiedades antibióticas y antivirales.

Cuando las toxinas de los dinoflagelados constituyen un problema, quisiéramos acabar con ellos, pero cuando queremos aprovechar los metabolitos que nos interesan, deseamos que crezcan más rápido y que produzcan más de estas sustancias. Para lograr esto, las investigaciones en este sentido son incipientes a nivel mundial. Por sí solos, los biólogos se enfrentan al crecimiento de los dinoflagelados en cultivo, pues es extremadamente lento, hasta 50 días (en comparación, un cultivo de bacterias tarda 24 horas en desarrollarse), por lo que el gran reto, dada la complejidad química estructural de estas biomoléculas, está en aumentar la tasa de crecimiento de los cultivos.

En contraparte, si tienes una granja de camarón y se presenta un florecimiento algal en los estanques, para acabar con él deben hacerse recambios de agua de emergencia, aumentar la aireación o de plano usar sustancias químicas que dañan el ecosistema y que además pueden acabar con la producción.

Cuando dos investigadores del CICESE, Santiago Camacho y Lorena Durán, él del Departamento de Óptica y ella de Biotecnología Marina, coincidieron en una comisión que nada tiene que ver con la planeación de investigaciones, inició un grupo interdisciplinar a principios de 2022.

La doctora Durán mantiene en su laboratorio una colección de más de 200 cepas de dinoflagelados, tanto bentónicos como planctónicos, con proyectos enfocados a entender la ecología química y molecular de este grupo, en particular las especies que son capaces de generar toxinas, su comunidad bacteriana (microbiota) asociada, y la relación de ésta con la producción de toxinas.

Santiago Camacho, por su parte, lidera el grupo de láseres de pulsos ultracortos y procesamiento de materiales en uno de los laboratorios mejor equipados del país. Desde hace años desarrolla proyectos orientados a la síntesis y procesado de materiales ópticos para aplicaciones biomédicas, así como al procesamiento -con láseres- de diversos materiales, incluyendo medios biológicos.

“El punto de interés común, para mí, fue que los dinoflagelados necesitan luz para su reproducción y desarrollo. Las incubadoras donde Lorena mantiene sus cepas son iluminadas por lámparas led. A partir de ahí quise comprender cuál es el papel de la luz en la parte biológica. Ese fue el punto de encuentro”, comentó el doctor Camacho.

Con el apoyo de sus grupos de investigación, Lorena con sus estudiantes y Santiago con tres investigadores: Mariela Flores Castañeda, Paulina Segovia Olvera y Luis Felipe Devia Cruz, más estudiantes y becarios, rebotaron ideas y acordaron seguir dos líneas de investigación.

La primera dedicada a que los dinoflagelados crezcan más rápido y produzcan más metabolitos de interés. El grupo decidió probar co-cultivos con nanopartículas sintetizadas a partir de varios materiales y, más adelante, cultivar dinoflagelados en superficies nanoestructuradas para probar si crecen más rápido, al igual que sucede con fibroblastos o células óseas.

La ayuda para acelerar el crecimiento y la reproducción de los dinoflagelados viene de las nanopartículas; en específico de aquellas que pueden cosechar luz en una región espectral no aprovechada de manera natural por los dinoflagelados.

El grupo de Santiago Camacho ha optado por experimentar con nanopartículas de materiales que no resulten tan caros, que sean abundantes en la naturaleza y de preferencia que México los produzca, siendo esta una filosofía que han adoptado en su laboratorio.

“Mariela Flores se ha dado a la tarea de probar con distintos materiales, por ejemplo, con bismuto. Ha desarrollado síntesis en distintas nanoestructucturas: nanopartículas, nanohojas, nanotubos y nanobarras, y ese es el tipo de partículas que queremos probar con estos organismos”, indicó el Dr. Camacho.

Hasta ahora los ensayos solo se han hecho con nanopartículas de silicio, pero la idea, según explica Lorena Durán, es utilizar molibdeno, vanadio, bismuto y silicio. La doctora Paulina Segovia está a cargo del área de nanoestructurado de superficies. Santiago Camacho explicó que otros microorganismos o células aceleran su crecimiento cuando están depositadas sobre una superficie con estructurado, comparado con una superficie lisa.

La segunda línea de investigación se enfoca en eliminar a los dinoflagelados en sistemas de cultivo cerrados, y comprobar si las burbujas de cavitación, que a su vez vienen acompañadas de ondas de choque a una presión muy alta, son capaces de suprimirlas.

Cuando ocurre un florecimiento algal nocivo en mar abierto, en un sistema de cultivo el asunto se sale de control. Por ejemplo, la contaminación por toxinas afecta la producción de moluscos bivalvos en ambos litorales de Baja California y cierra su exportación, incluso la producción de agua potable para Ensenada, como ocurrió en 2020, cuando una de estas mareas rojas fue tan intensa que la abundancia de dinoflagelados tapó los filtros de la planta desalinizadora.

Por ello, el doctor Luis Felipe Devia explora la cavitación óptica ante este reto. La idea general es tener dinoflagelados en el agua, al tiempo que se generan burbujas de cavitación. Se piensa que la eliminación de estos organismos puede ocurrir con base en tres mecanismos físicos involucrados en el fenómeno de cavitación, según explicó Santiago Camacho. Uno es por presión mecánica. Las burbujas de cavitación vienen acompañadas por ondas de choque que viajan ejerciendo una presión muy alta; estas ondas llegarían y serían capaces de romper la estructura de la célula por un efecto mecánico.

Por otro lado, cuando se produce cavitación se genera un plasma (materia ionizada), y ese plasma emite luz ultravioleta. Esta luz también podría causar modificaciones, incluso a nivel del ADN del microorganismo. El tercero es que, al generar el plasma en el agua, rompes las moléculas del líquido y cambias, por un método físico, su estructura molecular. Con esto generas radicales libres que, a su vez, cambian el ambiente en el que se encuentran los dinoflagelados, y eso también los podría eliminar.

“Lo que estamos haciendo en el laboratorio es probar con cavitación inducida por láser para saber si se pueden eliminar los dinoflagelados. Si probamos que eso es viable, entonces se podrían implementar cavitadores industriales del tipo CAVOXD para recircular el agua”, señaló Camacho.

Así, entre reuniones, clases de biología para los físicos y de física para biólogos, discutir idea tras idea, ha ido sentando las bases para trabajar conjuntamente.

Con esto, y con el trabajo de microscopía electrónica que ha estado realizando Fabián Alonso, técnico en el Departamento de Óptica, se podría pensar en que tendremos suficientes resultados como para lograr una primera publicación, complementó Santiago Camacho.

Hasta el momento, todos los avances que ha logrado este grupo interdisciplinario han sido financiados parcialmente con recursos de proyectos que ambos investigadores tienen vigentes: autogenerados, internos (CICESE); Ciencia Básica (Conacyt); PIRE (NSF-Conacyt), mientras, continúa la búsqueda en otras convocatorias.

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