Biosíntesis de cristales moleculares mediante microalgas
Se demostró que los dinoflagelados acumulan heterociclos nitrogenados de soluciones acuosas en cristales de almacenamiento de nitrógeno y los utilizan para crecer. El comportamiento de cristalización se manipuló para producir cristales moleculares con morfologías y propiedades ópticas diseñadas.
Los dinoflagelados pueden acumular rápidamente muchos heterociclos nitrogenados de soluciones acuosas en cristales de almacenamiento de nitrógeno, lo que revela un mecanismo general para su metabolismo del nitrógeno orgánico disuelto. El comportamiento de cristalización puede manipularse para generar cristales con morfologías y propiedades ópticas diseñadas, incluidas esferulitas birrefringentes de xantina, y para aprovechar las microalgas como fábricas celulares para producir cristales moleculares a partir de soluciones acuosas en condiciones ambientales.
Los cristales biogénicos altamente reflectantes, como la guanina, tienen potencial como alternativas biocompatibles a los materiales ópticos inorgánicos tóxicos. Las células microbianas modificadas se han utilizado ampliamente para generar metabolitos de alto valor, pero no se ha logrado la biosíntesis de materiales cristalinos funcionales.
En los dinoflagelados marinos, los cristales de guanina actúan como reservas de nitrógeno de alta capacidad que se utilizan para superar deficiencias periódicas de nitrógeno ambiental. Cuando células de Amphidinium carterae privadas de nitrógeno se transfirieron a un medio de cultivo que contenía guanina disuelta a aproximadamente 40 μM como única fuente de nitrógeno, la guanina se agotó rápidamente del medio, de forma concomitante con la aparición de esferoides birrefringentes y policristalinos compuestos por el polimorfo β de la guanina. Estos esferoides policristalinos se alojan en vacuolas unidas a membrana y situadas en posición central.
Las vacuolas comienzan a acumular cristales apenas 1–10 min después de la exposición a guanina exógena, están completamente formadas tras aproximadamente 1–5 h y comienzan a desintegrarse después de 12–48 h. Los dinoflagelados pueden captar directamente, cristalizar y proliferar a partir de numerosos heterociclos nitrogenados, lo que sugiere que el almacenamiento de nitrógeno orgánico en cristales y la posterior liberación de nitrógeno orgánico desde estos cristales es una estrategia general para su metabolismo del nitrógeno orgánico disuelto.
Los heterociclos nitrogenados como la guanina son componentes principales del nitrógeno orgánico disuelto de bajo peso molecular, una forma abundante y persistente de nitrógeno reducido marino. Las influencias antropogénicas han provocado aumentos del nitrógeno orgánico disuelto, y racionalizar cómo las microalgas metabolizan los heterociclos nitrogenados es crucial para comprender el ciclo del nitrógeno orgánico disuelto en los océanos. Las estrategias de almacenamiento de nitrógeno de los dinoflagelados también son vitales para su simbiosis con los corales, donde el nitrógeno orgánico transferido desde los dinoflagelados permite que los arrecifes de coral prosperen en aguas deficientes en nutrientes.
La capacidad de los dinoflagelados para cristalizar rápidamente heterociclos nitrogenados a partir de soluciones acuosas es llamativa, dado que estas moléculas escasamente solubles requieren valores extremos de pH o disolventes orgánicos para su recristalización in vitro. Los resultados muestran cómo las microalgas podrían explotarse como fábricas celulares para producir cristales moleculares a partir de soluciones acuosas, con posibles aplicaciones adicionales en la cristalización de productos farmacéuticos y la biorremediación de sustancias tóxicas.