GREGORIO VARGAS GUTIÉRREZ Y EDDIE LÓPEZ HONORATO
Bioincrustación o incrustación biológica son términos que señalan la formación progresiva de una biopelícula formada por microorganismos como bacterias, hongos, plantas, algas o animales pequeños sobre la superficie de materiales que se encuentran en ambientes húmedos o sumergidos en el agua. La Institución Oceanográfica Woods Hole, centro de investigación que se dedica al estudio de ciencia e ingeniería marinas, estima que más de 4 000 microorganismos diferentes son responsables de la degradación superficial de los materiales como consecuencia de fenómenos relacionados con la bioincrustación.
Este fenómeno tiene importantes implicaciones negativas en el consumo de energía, así como en el deterioro de materiales y de la salud. El crecimiento de microorganismos sobre la superficie de diversos materiales puede afectar su desempeño funcional; por ejemplo, en instrumentos quirúrgicos, sistemas de ventilación y climatización, membranas para el tratamiento y desalinización del agua, oleoductos, estructuras instaladas en los litorales (puertos y muelles) y en alta mar (plataformas marinas, estructuras subacuáticas y parques eólicos), así como en sistemas de enfriamiento de grandes equipos industriales y centrales eléctricas. La bioincrustación también afecta la acuacultura, pues aumenta los costos de producción y gestión, lo que disminuye su rentabilidad. Asimismo, industrias completas, como las involucradas en la fabricación de papel y en el procesamiento de alimentos, se pueden ver afectadas por este fenómeno.
Los gobiernos y la industria gastan más de 5 700 millones de dólares al año para prevenir y controlar la bioincrustación marina, ya que ésta conlleva, por ejemplo, un aumento en el uso de combustible para las embarcaciones y en el costo de su mantenimiento. En este sentido, la bioincrustación también es responsable del incremento en las emisiones de dióxido de carbono y dióxido de azufre. En la actualidad, existen procedimientos para modificar la topografía y la energía superficial de los materiales de forma que se generen superficies resistentes a la bioincrustación. Además, se han desarrollado diferentes biocidas cuyo propósito es evitar la adhesión de microorganismos a la superficie de los materiales. Sin embargo, la cantidad potencial de combinaciones de sustratos (polímeros, cerámicos, metales, compuestos), de procesos de modificación superficial y de recubrimientos, así como la gran diversidad de compuestos activos (nanopartículas con diferente forma y composición) y de propiedades a estudiar (rugosidad superficial, energía superficial, ángulo de contacto con el agua, capacidad biocida, etc.) complican la determinación de los factores clave para generar superficies antibioincrustantes más efectivas. Sumado a esto, el desarrollo de nuevos materiales antibioincrustantes se vuelve aún más complicado cuando se requieren procesos que no afecten al medio ambiente.
Sobre la base de estas premisas se propuso el proyecto titulado «DAMA-Descubrimiento Acelerado de Materiales Antibioincrustantes» en el marco de la Convocatoria 2019 de Ciencia de Frontera, modalidad sinergia. El objetivo general de esta investigación es acelerar el descubrimiento de materiales antibioincrustantes nuevos y eficientes que sean capaces de evitar la formación de biopelículas en aplicaciones sanitarias y marinas. Para ello, se analizarán las propiedades físicas y químicas que dominan la superhidrofobicidad o capacidad biocida de recubrimientos cerámicos, poliméricos y metálicos, a través del uso de inteligencia artificial, experimentos de alto rendimiento y modelado informático.
En este proyecto participan 11 investigadores del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, del Centro de Investigación en Química Aplicada, de la Universidad Nacional Autónoma de México y de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco, quienes trabajan de forma conjunta para desarrollar nuevos materiales de recubrimiento y nuevas tecnologías de modificación superficial para prevenir, de forma amigable con el medio ambiente, la adhesión de organismos a la superficie de diferentes materiales.
Para generar conocimiento de frontera, se estudiará la relación entre la bioincrustación y las reacciones químicas redox involucradas, considerando que los principios de la química redox, de la termodinámica y la bioenergía se aplican de manera similar en el contexto de la bioincrustación marina. En particular, se analizará el impacto que los microorganismos generan en las reacciones redox que tienen lugar en entornos naturales mediante química computacional; por ejemplo, las interacciones generadas por las actividades metabólicas de las células microbianas sobre superficies metálicas, cerámicas y poliméricas. Para correlacionar los fenómenos que ocurren a nivel atómico y molecular con la propiedad macroscópica de bioincrustación se usará la teoría del funcional de la densidad electrónica (DFT, por sus siglas en inglés) y el concepto de función trabajo de los electrones (EWF, por sus siglas en inglés).
De esta manera, la combinación del aprendizaje profundo, el trabajo experimental de vanguardia y el modelado químico permitirán desarrollar los primeros algoritmos de aprendizaje profundo para acelerar el descubrimiento y la comprensión de los materiales antibioincrustantes. La interrelación de estas tres disciplinas permitirá identificar o incluso predecir nuevas microestructuras y composiciones con una mayor capacidad antiincrustante.