Un nuevo estudio ha revelado cómo las conchas de diatomeas, similares al vidrio, ayudan a estos organismos microscópicos a realizar la fotosíntesis en condiciones de poca luz. Una mejor comprensión de cómo estos fitoplancton recolectan e interactúan con la luz podría conducir a mejores células solares, dispositivos de detección y componentes ópticos.

«El modelo computacional y el conjunto de herramientas que desarrollamos podrían allanar el camino hacia dispositivos ópticos sostenibles y de fabricación masiva y herramientas de recolección de luz más eficientes que se basan en caparazones de diatomeas», dijo el miembro del equipo de investigación Santiago Bernal de la Universidad McGill en Canadá. «Esto podría usarse para dispositivos biomiméticos para detección, nuevas tecnologías de telecomunicaciones o formas asequibles de generar energía limpia».

Las diatomeas son organismos unicelulares que se encuentran en la mayoría de los cuerpos de agua. Sus caparazones están cubiertos de agujeros que responden a la luz de manera diferente según su tamaño, espacio y configuración. En la revista Optical Materials Express, los investigadores, dirigidos por David V. Plant y Mark Andrews de la Universidad McGill, informan sobre el primer estudio óptico de una capa de diatomeas completa. Analizaron cómo las diferentes secciones del caparazón, o frústula, responden a la luz solar y cómo esta respuesta está relacionada con la fotosíntesis.

«Según nuestros hallazgos, estimamos que la frústula puede contribuir con un impulso del 9,83 por ciento a la fotosíntesis, especialmente durante las transiciones de luz solar alta a baja», dijo Yannick D’Mello, primer autor del artículo. «Nuestro modelo es el primero en explicar el comportamiento óptico de toda la frustula. Por lo tanto, contribuye a la hipótesis de que la frustula mejora la fotosíntesis en las diatomeas».

Combinando microscopía y simulación

Las diatomeas han evolucionado durante millones de años para sobrevivir en cualquier medio acuático. Esto incluye su caparazón, que se compone de muchas regiones que trabajan juntas para recolectar la luz solar. Para estudiar la respuesta óptica de las frustulas de diatomeas, los investigadores combinaron simulaciones ópticas por computadora con varias técnicas de microscopía.

Los investigadores comenzaron por obtener imágenes de la arquitectura de la frustula utilizando cuatro técnicas de microscopía de alta resolución : microscopía óptica de campo cercano, microscopía de fuerza atómica, microscopía electrónica de barrido y microscopía de campo oscuro. Luego usaron estas imágenes para informar una serie de modelos que los investigadores construyeron para analizar cada parte de la frústula a través de simulaciones en 3D.

Usando estas simulaciones, los investigadores examinaron cómo los diferentes colores de la luz solar interactuaban con las estructuras e identificaron tres mecanismos primarios de recolección solar : captura, redistribución y retención. Este enfoque les permitió combinar los diferentes aspectos ópticos de la frústula y mostrar cómo funcionan juntos para ayudar a la fotosíntesis.

«Usamos diferentes simulaciones y técnicas de microscopía para examinar cada componente por separado», dijo D’Mello. «Luego usamos esos datos para construir un estudio de cómo la luz interactúa con la estructura, desde el momento en que se captura, hasta dónde se distribuye después de eso, cuánto tiempo se retiene y hasta el momento en que es probable que sea absorbido por la célula..»

Impulsar la fotosíntesis

El estudio reveló que las longitudes de onda con las que interactuaba el caparazón coincidían con las absorbidas durante la fotosíntesis, lo que sugiere que podría haber evolucionado para ayudar a capturar la luz solar. Los investigadores también encontraron que diferentes regiones de la frustula podían redistribuir la luz para que fuera absorbida por la célula. Esto sugiere que el caparazón evolucionó para maximizar la exposición de la celda a la luz ambiental. Sus hallazgos también indicaron que la luz circula dentro de la frustula el tiempo suficiente para ayudar a la fotosíntesis durante los períodos de transición de iluminación alta a baja.

El nuevo modelo frustule podría hacer posible cultivar especies de diatomeas que recolectan luz en diferentes longitudes de onda, lo que les permite personalizarse para aplicaciones específicas. «Estos mecanismos de recolección de luz de las diatomeas podrían usarse para mejorar la absorción de los paneles solares al permitir que la luz del sol se recopile en más ángulos, eliminando así parcialmente la dependencia del panel para mirar directamente al sol», dijo Bernal.

Los investigadores ahora están trabajando para refinar su modelo y planean aplicar su nuevo conjunto de herramientas para estudiar otras especies de diatomeas. Después de eso, planean extender el modelo más allá de las interacciones ligeras dentro de un solo frustule para examinar los comportamientos entre múltiples frustules.

Este trabajo conmemora a Dan Petrescu, quien falleció el año pasado. La investigación no hubiera sido posible sin su conocimiento, ayuda y dedicación.