Un nuevo estudio publicado en Nature sostiene que materiales como la madera, las bacterias y los hongos pertenecen a una clase de materia recién identificada, los "sólidos de hidratación".
Durante décadas, los campos de la física y la química han mantenido que los átomos y las moléculas que componen el mundo natural definen el carácter de la materia sólida. Los cristales de sal obtienen su calidad cristalina del enlace iónico entre los iones de sodio y cloruro, los metales como el hierro o el cobre obtienen su fuerza de los enlaces metálicos entre los átomos de hierro o cobre, y las gomas obtienen su elasticidad de los enlaces flexibles dentro de los polímeros que constituyen la goma. El mismo principio se aplica a materiales como los hongos, las bacterias y la madera.
El nuevo estudio desmonta este paradigma y sostiene que el carácter de muchos materiales biológicos se debe en realidad al agua que los impregna. El agua da lugar a un sólido y define sus propiedades, al tiempo que mantiene sus características líquidas.
En su artículo, los autores agrupan estos y otros materiales en una nueva clase de materia a la que denominan "sólidos de hidratación", de los que dicen que "adquieren su rigidez estructural, la característica definitoria del estado sólido, del fluido que impregna sus poros". La nueva comprensión de la materia biológica puede ayudar a responder preguntas que han perseguido a los científicos durante años.
"Creo que es un momento muy especial para la ciencia -afirma en un comunicado Ozgur Sahin, catedrático de Ciencias Biológicas y Física en la Universidad de Columbia y uno de los autores del estudio-. Es unificar algo increíblemente diverso y complejo con una explicación sencilla. Es una gran sorpresa, una delicia intelectual".
Cuando las moléculas que forman los materiales biológicos se combinan con el agua, inclinan la balanza hacia el orden: El agua quiere volver a su estado original
Steven G. Harrellson, que acaba de terminar sus estudios de doctorado en el departamento de Física de Columbia y es uno de los autores del estudio, utilizó la metáfora de un edificio para describir el hallazgo del equipo.
"Si pensamos en los materiales biológicos como en un rascacielos, los bloques moleculares son los armazones de acero que lo sostienen, y el agua que hay entre los bloques moleculares es el aire que hay dentro de los armazones de acero -explica-. Descubrimos que algunos rascacielos no se sostienen por sus armazones de acero, sino por el aire que hay dentro de esos armazones".
"Esta idea puede parecer difícil de creer, pero resuelve misterios y ayuda a predecir la existencia de fenómenos apasionantes en los materiales", añade Sahin.
Cuando el agua está en estado líquido, sus moléculas mantienen un delicado equilibrio entre orden y desorden. Pero cuando las moléculas que forman los materiales biológicos se combinan con el agua, inclinan la balanza hacia el orden: El agua quiere volver a su estado original. Como resultado, las moléculas de agua empujan a las moléculas de la materia biológica.
Esa fuerza de empuje, denominada fuerza de hidratación, se identificó en la década de 1970, pero se pensaba que su impacto en la materia biológica era limitado. El argumento de este nuevo trabajo de que la fuerza de hidratación es la que define casi por completo el carácter de la materia biológica, incluido su grado de blandura o dureza, resulta sorprendente.
Hace tiempo que se sabe que los materiales biológicos absorben la humedad ambiental, como una puerta de madera que se dilata cuando hay humedad. Esta investigación, sin embargo, demuestra que esa agua ambiental es mucho más fundamental para el carácter de la madera, los hongos, las plantas y otros materiales naturales de lo que nunca habíamos sabido.
El equipo descubrió que poner el agua en primer plano les permitía describir las características que presentan los materiales orgánicos familiares con matemáticas muy sencillas. Los modelos anteriores sobre la interacción del agua con la materia orgánica requerían simulaciones informáticas avanzadas para predecir las propiedades del material. La sencillez de las fórmulas utilizadas por el equipo para predecir estas propiedades sugiere que han dado en el clavo.
Por ejemplo, el equipo descubrió que la sencilla ecuación E=Al/lambda describe perfectamente cómo cambia la elasticidad de un material en función de factores como la humedad, la temperatura y el tamaño de las moléculas. (E en esta ecuación se refiere a la elasticidad de un material; A es un factor que depende de la temperatura y la humedad del ambiente; l es el tamaño aproximado de las moléculas biológicas y lambda es la distancia a partir de la cual las fuerzas de hidratación pierden su fuerza).
El equipo descubrió que poner el agua en primer plano les permitía describir las características que presentan los materiales orgánicos familiares
Los nuevos hallazgos surgieron de la investigación en curso del profesor Sahin sobre el extraño comportamiento de las esporas, células bacterianas latentes. Durante años, Sahin y sus alumnos han estudiado las esporas para entender por qué se expanden con fuerza cuando se les añade agua y se contraen cuando se les quita. Hace varios años, Sahin y sus colegas acapararon la atención de los medios de comunicación por aprovechar esa capacidad para crear pequeños artilugios similares a motores impulsados por esporas.
Hacia 2012, Sahin decidió dar un paso atrás para preguntarse por qué las esporas se comportan como lo hacen. Se le unieron los investigadores Michael S. DeLay y Xi Chen, autores del nuevo artículo, que entonces eran miembros de su laboratorio. Sus experimentos no resolvieron el misterioso comportamiento de las esporas.
"Acabamos con más misterios que cuando empezamos", recuerda Sahin. Estaban atascados, pero los misterios que encontraban les insinuaban que había algo que merecía la pena investigar. Tras años sopesando posibles explicaciones, a Sahin se le ocurrió que los misterios que el equipo encontraba continuamente podrían explicarse si la fuerza de hidratación rigiera la forma en que el agua se mueve en las esporas.
El equipo tuvo que hacer más experimentos para poner a prueba la idea. En 2018, Harrellson, que ahora es ingeniero de software en la empresa de análisis de datos Palantir, se unió al proyecto.
"Cuando abordamos inicialmente el proyecto, parecía imposiblemente complicado. Estábamos tratando de explicar varios efectos diferentes, cada uno con su propia fórmula insatisfactoria -recuerda-. Cuando empezamos a utilizar las fuerzas de hidratación, pudimos eliminar todas y cada una de las antiguas fórmulas. Cuando sólo quedaban las fuerzas de hidratación, sentíamos como si nuestros pies tocaran por fin el suelo. Fue increíble y un gran alivio; todo tenía sentido", afirma.
