La melanina y, concretamente, la forma llamada eumelanina, es el pigmento principal que da a los humanos la coloración de su piel, el cabello y los ojos. Protege el cuerpo contra los peligros de la radiación ultravioleta y otras radiaciones que pueden dañar las células y provocar cáncer de piel, pero la razón exacta por la que el compuesto sea tan eficaz en el bloqueo del amplio espectro de la luz solar ha seguido manteniéndose como un misterio.
Ahora, los investigadores del MIT y otras instituciones han resuelto ese misterio, que podría abrir el camino para el desarrollo de materiales sintéticos que podrían tener similares propiedades de bloqueo de la luz. Estos hallazgos se han publicado esta semana en la revista Nature Communications por los estudiantes graduados Chun-Teh Chen y Chern Chuang, el profesor de ingeniería civil y medioambiental, Markus Buehler, y otros tres investigadores.
Aunque la eumelanina se conoce desde hace décadas, fijar su estructura molecular e identificar las razones de su absorción de banda ancha de la luz han sido tareas de enormes proporciones.
Debido, en parte, a esas características que la hacen tan interesante: Típicamente, los constituyentes de un compuesto químico se pueden determinar a través de la espectroscopia, entre otras herramientas, pero en el caso de la eumelanina los espectrógrafos no muestran picos agudos, que son tan útiles, generalmente, para la identificación. Se requieren además medios indirectos de análisis.
El equipo utilizó una combinación de cálculo y análisis experimental para derivar la estructura del material, encontrando que la fuente principal de la absorción de banda ancha era la disposición física de los constituyentes, no sus características químicas. En concreto, la combinación de orden y desorden de la disposición física produce una "mancha" de absorción espectral del material y proporciona su capacidad fundamental de bloqueo de la banda ancha.
"No es posible hacer la tradicional química analítica con este sistema en particular", dice Chuang, estudiante graduado en química, "donde uno puede aislar cada componente, sólamente pueden utilizarse formas indirectas de sondeo."
El desorden resultó ser clave, según el equipo, un desorden físico llamado "desorden geométrico", es diferente del desorden químico que ya han estudiado otros investigadores. Resulta que ambos tipos de desorden pueden desempeñar papeles complementarios que producen de absorción de banda ancha de la eumelanina .
El material forma cristales diminutos (un estado químicamente ordenado), pero con aleatoriedad intrínseca, de tal manera que las orientaciones de las apiladas moléculas pueden ser arbitrarias y los tamaños de los cristales diferentes, formando estructuras de agregados que son altamente desordenadas. Lo que encontró el equipo es que esa combinación de orden y desorden contribuye a la absorción de banda ancha de la eumelanina.
"Es un nanocompuesto natural existente", señala Buehler, "que tiene propiedades macroscópicas muy críticas a consecuencia de su nanoestructura."
Mientras que todas moléculas de eumelanina comparten una química básica, existen más de 100 variaciones con dicha composición; las más ligeras variaciones de una molécula respecto a otra pueden contribuir al desorden que amplía la capacidad para absorber la luz, dice Buehler. "Aún se está deliberando sobre qué es lo más importante".
La comprensión de los orígenes de las propiedades ópticas de eumelanina podría ayudar a guiar la creación de nuevos materiales sintéticos, apunta Buehler. Estos conocimientos pueden ser útiles en el desarrollo de materiales para aplicaciones como los pigmentos, o en mejorar la eficiencia de las células solares.
Si bien este análisis aún deja preguntas abiertas sobre la exacta estructura de las moléculas de eumelanina, añade Buehler: "La construcción de un modelo estructural preciso es uno de nuestros grandes objetivos."
Mediante la microscopía electrónica, es muy probable que la combinación análoga de un modelado computacional basada en la mecánica cuántica, la dinámica molecular y la observación directa se pueda aplicar a muchos sistemas, afirma Buehler. "Es un avance metodológico que está validado, porque este sistema tiene unas propiedades ópticas únicas, que podemos reproducir. Esto demuestra que el método puede ser útil."
Sergei Tretiak, un investigador de la división teórica del Laboratorio Nacional de Los Alamos, que no participó en esta investigación, dice que comprender la estructura de la eumelanina ha sido "un rompecabezas científico durante mucho tiempo . "Este nuevo trabajo proporciona una inesperada respuesta a este enigma. El enfoque de los investigadores es un ejemplo de un punto de vista multidisciplinario para problema complejo, donde un solo método resulta incapaz de dar una respuesta satisfactoria."
- El equipo de investigación también incluyó a Jianshu Cao, profesor de química del MIT, Vincent Ball de la Universidad de Estrasburgo, en Francia, y David Ruch en el Centro de Investigación Pública Henri Tudor de Luxemburgo. El trabajo fue financiado en parte por el Departamento de Energía de EE.UU. a través del Centro para Excitonics del MIT.
- Imagen.1 y 2. Instantáneas de una simulación dinámica molecular que muestra las características del orden y desorden geométrico de las estructuras agregadas de eumelanina. Las diferentes variaciones de moléculas de eumelanina se muestran en diferentes colores para mayor claridad. Cortesía de Chun-Teh Chen.
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