Mediante microscopía electrónica a nanoescala, investigadores de McMaster descubrieron que un fósil de dinosaurio de 71 millones de años comparte una característica con los huesos humanos modernos.
Cuando Alyssa Williams miró por el microscopio, se encontró mirando 71,5 millones de años al pasado.
Williams, por aquel entonces estudiante de doctorado en el laboratorio de la profesora de ingeniería Kathryn Grandfield y codirigido por Nabil Bassim, es un experto en microscopía e imágenes biológicas. Pero la muestra de hueso que se observaba bajo el microscopio no era humana, sino de un dinosaurio.
Tras examinar la muestra con detalle a nanoescala, Williams observó un grupo de minerales que se parecían sorprendentemente a algo que había visto antes. Llevó la grabación de sus hallazgos a Grandfield con una simple pregunta: «¿Es esto lo que creo que es?».
En 2020, el equipo de Grandfield descubrió una nueva agrupación de minerales , denominada cúmulos minerales elipsoidales, en los huesos humanos modernos. Este descubrimiento reveló que los minerales óseos se forman en cúmulos que parecen pequeños balones de fútbol americano, además de formarse dentro o alrededor de las fibrillas de colágeno.
Se creía desde hacía tiempo que estos cúmulos existían, pero nunca se habían visualizado hasta el trabajo del laboratorio con el microscopio de haz de iones focalizado en el Centro Canadiense de Microscopía Electrónica (CCEM).
Y allí estaba Williams, observando los mismos grupos de minerales en una muestra tomada de una criatura que habitó la Tierra decenas de millones de años antes de que aparecieran los primeros humanos.
Un descubrimiento que tardó 71,5 millones de años en gestarse.
En colaboración con CCEM, Fibics y el Museo Canadiense de la Naturaleza , Williams analizó y caracterizó la estructura material del peroné de un Albertosaurus utilizando un método llamado microscopía electrónica de barrido con haz de iones focalizado (FIB-SEM).
El Albertosaurus pertenece al subgrupo de dinosaurios tiranosáuridos, caracterizado por el bipedismo y, como los describe Williams, por tener «brazos diminutos». Sus restos se encuentran en la Formación Horseshoe Canyon en Alberta.
“Realmente queríamos comprender el contenido mineral y orgánico dentro del hueso del dinosaurio y ver qué similitudes comparten nuestras muestras de huesos modernos con los huesos de dinosaurio”, dice Williams, quien ahora trabaja como especialista en FIB-SEM en Fibics.
El análisis FIB-SEM también reveló cómo los fluidos del entorno circundante pueden infiltrarse en el hueso fósil enterrado profundamente en la roca sedimentaria durante millones de años.
Por ejemplo, en la muestra de hueso fosilizado se encontraron rastros de cristales de pirita y barita, así como minerales arcillosos, todos los cuales también se pueden encontrar en la región de Horseshoe Canyon en Alberta.
Además, este análisis reveló extensos patrones de fibras dentro del hueso, así como bandas de colágeno características en todo el hueso fósil, mostrando claramente en tres dimensiones una intrincada y extensa red de fibrillas subyacente al hueso fósil.
Pero el hallazgo más significativo, según Williams, es la evidencia de los mismos cúmulos minerales elipsoidales que el grupo de Grandfield visualizó hace apenas seis años.
“Ver estas características estructurales de los huesos conservadas durante más de 70 millones de años fue increíble”, dice Williams. “Pero me asombró ver por primera vez estos cúmulos minerales elipsoidales dentro de un hueso fibroso paralelo, conservados durante un período de tiempo tan extenso”.
Como una hogaza de pan del período Cretácico
Durante más de una década, Grandfield, profesora de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y su equipo han estudiado tanto el tejido óseo sano como el enfermo con el objetivo de desarrollar mejores técnicas para crear prótesis óseas. Pensemos en prótesis de rodilla, prótesis totales de cadera o incluso implantes dentales.
Pero si no se comprenden los fundamentos de la estructura ósea, no se puede diseñar un implante para reemplazarla, afirma Grandfield.
Ahí es donde entra en juego la microscopía.
Pero, ¿qué es exactamente FIB-SEM y cómo permite a los investigadores comprender mejor las estructuras óseas fundamentales?
La microscopía electrónica de barrido con haz de iones focalizado es un término un poco largo, pero se puede explicar comparando un fósil con una hogaza de pan.
Cuando compras una barra de pan entera, usas un cuchillo de pan para cortarla en rebanadas más pequeñas. En este caso, el cuchillo de pan es el haz de iones, y permite a los investigadores separar material del fósil para poder observar detalles a pequeña escala que nadie había podido ver antes.
Si te interesa observar cada fibra del pan, puedes tomar una imagen extremadamente detallada de la superficie de corte después de cada rebanada. Esto se logra mediante microscopía electrónica de barrido. Este método captura imágenes de la estructura del fósil con una magnificación altísima, lo que permite a los investigadores observar las características del hueso con un detalle extraordinario.
Y si la barra de pan estaba tan buena que quieres recordarla para siempre, o, lo que es más importante, si quieres observar los detalles a nanoescala de un modelo 3D de tu muestra de hueso, ahora puedes usar un software para reconstruir las fotos de cada rebanada y ver la estructura original con un detalle extremadamente preciso.
Después de eso, es solo una cuestión de escala. Mientras que cortar pan en rebanadas funciona a escala de hogaza, FIB-SEM funciona a escala nanométrica, lo que significa que los investigadores observan detalles fosilizados a una milmillonésima parte de un metro.
Eso equivale a tomar un cabello humano promedio, dividirlo mil veces y analizar una de esas divisiones.
Según Grandfield, este trabajo consiste en ampliar los límites de lo que los investigadores pueden observar en los fósiles. «Lo extraordinario es que no solo vemos un fósil como un objeto estático, sino que observamos la arquitectura biológica original, preservada durante millones de años a escala nanométrica».
Además, esta técnica, más conocida como seccionamiento seriado FIB, tiene aplicaciones más allá de la paleontología y la biomedicina. Bassim, por ejemplo, también colabora con Fibics en la caracterización de semiconductores como parte de una iniciativa de investigación de semiconductores de 7,5 millones de dólares liderada por McMaster .
La vida encuentra su camino
Cuando pensamos en ingeniería moderna y dispositivos biomédicos, probablemente los dinosaurios no sean lo primero que nos venga a la mente. Pero los descubrimientos de Williams aportan pruebas de que la estructura fundamental de nuestros huesos es la misma que la de criaturas como el Albertosaurus, que habitó la Tierra durante el período Cretácico.
Para los investigadores que trabajan en implantes médicos, esta información tiene una gran importancia: si estas características se han mantenido durante más de 70 millones de años, explica Grandfield, «es algo que deberíamos tener en cuenta al diseñar nuevos implantes óseos para reemplazar el tejido dañado».
Y las implicaciones de este trabajo, y de las colaboraciones que lo sustentan, para la medicina moderna son infinitas, afirma Williams.
“Este trabajo nos demuestra que los fósiles no son solo restos de piedra de vida antigua, sino que todavía contienen información biológica a nanoescala”, afirma Williams.
“Eso abre una vía totalmente nueva para conectar la biología del pasado con la ciencia y la medicina de hoy en día.”
Fuente: Jesse Dorey/ McMaster University/ news.mcmaster.ca