Brocosoma

Los brocosomas son gránulos microscópicos de estructura compleja secretados por los cicadélidos (familia Cicadellidae del orden de insectos Hemiptera ) y que se encuentran típicamente en la superficie de su cuerpo y, más raramente, en los huevos. Los brocosomas se describieron por primera vez en 1952 con la ayuda de un microscopio electrónico . ^{[ 2 ] [ 3 ]} Los brocosomas son hidrofóbicos y ayudan a mantener limpia la cutícula del insecto. Estas partículas también se han encontrado en muestras de aire ^{[ 4 ]} y pueden contaminar fácilmente objetos extraños, lo que explica los informes erróneos de brocosomas en otros insectos. ^{[ 5 ]}

El nombre, derivado de las palabras griegas βρóχoς ("brochos": malla de una red) y σωμα ("soma": cuerpo), hace referencia a la característica superficie reticulada de los gránulos.

Los brocosomas presentan propiedades superhidrofóbicas y antirreflectantes, y recientemente, la imitación de estas propiedades se ha convertido en un tema de interés para los investigadores. Muchos de ellos han desarrollado métodos para sintetizar estructuras similares a los brocosomas con fines biomiméticos .

La mayoría de las especies de cicadélidos producen brocosomas esféricos huecos, de 0,2 a 0,7 micrómetros de diámetro, con una pared exterior en forma de panal. Suelen constar de 20 celdas hexagonales y 12 pentagonales, lo que hace que el contorno de cada brocosoma se aproxime a un icosaedro truncado , la geometría de un balón de fútbol y una molécula de buckminsterfullereno _C60 . La geometría de estos brocosomas varía según la especie, con muchas características como el diámetro, las crestas, los agujeros y los fondos que tienen una estructura variable entre especies ^{[ 6 ].} La composición química de los brocosomas incluye varios tipos de proteínas y, según algunos estudios, lípidos .

Las proteínas brocosómicas se presentan en dos categorías principales: Brocosomas (BSM) y Proteínas Asociadas al Brocosoma (BSAP). Los brocosomas sirven como el componente proteico estructural primario del brocosoma, mientras que las proteínas BSAP contienen una variedad de proteínas similares a ciclasas , así como hélices de poliprolina . ^{[ 7 ]} Los brocosomas se caracterizan por tener una alta cantidad estructural de glicina , tirosina y cisteína . ^{[ 8 ]} Se especula que la glicina contribuye a la estructura de los brocosomas, ya que un alto contenido de glicina se encuentra en muchas proteínas estructurales como el colágeno y la queratina. Lo mismo se dice de la cisteína a través de enlaces cruzados disulfuro , con unidades uniformemente espaciadas a lo largo de los péptidos, ^{[ 9 ]} posiblemente proporcionando estabilidad a la estructura. Estas proteínas identificadas en la composición de los brocosomas y sus genes correspondientes no muestran relación con proteínas y genes de ningún organismo fuera de Membracoidea y, por lo tanto, se consideran ejemplos de genes huérfanos .

Estas esferas huecas se distribuyen en recubrimientos con densidades y distribuciones variables sobre la superficie del ala anterior del saltamontes. Este recubrimiento genera rugosidad en la superficie del insecto. Esta rugosidad microscópica debida al recubrimiento se ve agravada por la rugosidad resultante de la estructura reticular del brocosoma individual. Los gránulos forman una capa pulverulenta sobre la superficie del cuerpo del insecto, creando un alto grado de contacto y, por lo tanto, propiedades superhidrofóbicas . ^{[ 11 ]}

Los brocosomas se producen dentro de las células de segmentos glandulares especializados de los túbulos de Malpighi , los órganos excretores primarios de los insectos, que a menudo cumplen funciones adicionales. Cada célula fabrica simultáneamente una gran cantidad de brocosomas dentro de sus complejos de Golgi y finalmente los libera en la luz del túbulo. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

Después de cada muda, la mayoría de las especies de saltamontes liberan gotas del fluido que contiene brocosomas a través del ano y las esparcen activamente sobre el tegumento recién formado . ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 8 ]} Este comportamiento se llama unción. ^{[ 17 ]} Los brocosomas secos se distribuyen aún más por el cuerpo y los apéndices en repetidos episodios de acicalamiento, en los que los saltamontes se frotan con sus patas. El transporte de brocosomas se facilita mediante grupos y filas de fuertes setas en las patas. La capa resultante hace que el tegumento sea altamente repelente al agua ( superhidrofóbico ) ^{[ 1 ]} y a las propias excretas líquidas del saltamontes, ^{[ 18 ]} estas últimas a menudo azucaradas y pegajosas, y por lo tanto potencialmente peligrosas para el insecto. Se han planteado hipótesis sobre funciones protectoras adicionales del recubrimiento brocosómico. ^{[ 8 ]} Por ejemplo, hay evidencia de que la propiedad antirreflectante del brocosoma hace que las superficies recubiertas por él parezcan similares a una hoja en los ojos de los insectos, por lo que puede usarse como camuflaje para los huevos. ^{[ 19 ]}

En varios géneros del Nuevo Mundo de la subfamilia Cicadellinae (incluido el saltamontes de alas transparentes y especies relacionadas), los brocosomas también se utilizan como recubrimiento de las masas de huevos. ^{[ 20 ] [ 21 ]} En las hembras grávidas de estos géneros, los túbulos de Malpighi cambian ^{[ 15 ]} de la producción de brocosomas regulares, descritos anteriormente, a la producción de partículas más grandes, típicamente alargadas, de hasta 20 micrómetros de longitud. Antes de poner los huevos, la hembra coloca masas de dichos brocosomas en sus alas anteriores y luego las raspa sobre los huevos recién puestos con sus patas traseras. ^{[ 21 ]} La capa pulverulenta resultante puede cumplir diversas funciones protectoras, incluida la protección contra parasitoides de huevos del orden Hymenoptera ( Chalcidoidea ). ^{[ 22 ]} La forma y la escultura de estos brocosomas de "huevos" pueden variar significativamente entre especies, proporcionando características adicionales para la identificación de especies. ^{[ 21 ]}

Actualmente, científicos e ingenieros intentan producir estructuras sintéticas similares a los brocosomas para diversas aplicaciones de materiales, ya que los brocosomas sintéticos tienen el potencial de presentar propiedades antirreflectantes y superhidrofóbicas , entre otras. Los métodos de síntesis empleados en la investigación actual suelen implicar el autoensamblaje para formar algún tipo de plantilla o estructura utilizando materiales no proteicos , y luego usar esas estructuras para ensamblar las proteínas componentes en brocosomas. Parece ser necesario un espaciado/orden y tamaño precisos del brocosoma para lograr con éxito las propiedades antirreflectantes y superhidrofóbicas. Existen muchos métodos que se están desarrollando actualmente, entre los que se incluyen la formación de plantillas de cristales coloidales y el ensamblaje de gotas. ^{[ 24 ]}

Plantillas de cristales coloidales

En la técnica de moldeo por cristal coloidal de doble capa , una capa de esferas de polímero se recubre con una capa de partículas conductoras (por ejemplo, mediante pulverización catódica ). Estas esferas se recubren a su vez con una capa de esferas más pequeñas. El polímero se disuelve con un disolvente y se elimina mediante lavado. Las partículas metálicas mantienen la forma de las esferas de polímero, creando un molde (una esfera con hendiduras esféricas en la superficie). Se utiliza metal u otro material conductor para crear el molde cuando se emplea un método de electrodeposición para depositar los materiales que componen el brocosoma sintético. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Esta idea de depositar coloides para formar una plantilla también se modifica como un procedimiento de moldeo por fundición. En lugar de recubrir una esfera más grande con partículas conductoras, estas esferas se utilizan para crear hendiduras en un material diferente que formará la base de la plantilla. Las esferas se dejan caer en una resina o material adyacente, que luego se cura para preservar la forma de las hendiduras esféricas. Posteriormente, se retiran las esferas, dejando las hendiduras. A continuación, se utilizan esferas más pequeñas para recubrir las hendiduras esféricas, y los espacios entre las esferas más pequeñas se rellenan con un tercer material. Finalmente, se retiran las esferas más pequeñas, dejando la plantilla de una gran hendidura esférica recubierta de esferas más pequeñas. ^{[ 24 ] [ 26 ]}

La estructura única de los brocosomas se ha utilizado con frecuencia como inspiración para materiales biomiméticos con aplicaciones en ingeniería biomédica, materiales ópticos, almacenamiento de información e ingeniería de superficies.

Las estructuras de brocosomas pueden adaptarse a diversos materiales como oro , níquel , dióxido de manganeso y polipirrol . ^{[ 29 ]} Un material compuesto por estructuras de brocosomas podría ser útil en sensores, cámaras y telescopios al modificar la reflexión y la captación de la luz. ^{[ 30 ]} En el campo biomédico, la investigación actual busca crear sensores basados ​​en brocosomas para detectar bacterias y proteínas específicas. Además, los expertos han propuesto el uso de superficies de partículas inspiradas en brocosomas para sistemas de administración dirigida de fármacos, donde dichas superficies podrían transportar fármacos específicos a los tejidos diana. ^{[ 31 ]}

Los brocosomas sintéticos pueden utilizarse para ocultar firmas térmicas en humanos o máquinas regulando la reflexión de la luz en una superficie. Esto podría conducir a la creación de una capa de invisibilidad térmica. Los brocosomas fabricados en laboratorio pueden reducir la reflexión de la luz hasta en un 94 % mediante partículas huecas. Dado que los brocosomas pueden absorber la luz ultravioleta, futuras aplicaciones podrían permitir una captación de energía solar más eficiente, la protección de productos farmacéuticos contra el daño solar mediante la creación de recubrimientos, la elaboración de protectores solares más eficaces o incluso la creación de dispositivos de camuflaje. Entre las aplicaciones exploradas se encuentra la creación de un sistema de cifrado donde los datos solo son visibles en longitudes de onda de luz específicas, utilizando estructuras similares a los brocosomas. Las propiedades ópticas y fotónicas han impulsado el desarrollo de materiales biomiméticos para diversas aplicaciones, desde dispositivos de camuflaje hasta recubrimientos para células solares. ^{[ 32 ]} Se espera que futuras investigaciones conduzcan al desarrollo de una capa de invisibilidad con fines militares. ^{[ 33 ]}

En particular, las propiedades reflectantes de los brocosomas podrían utilizarse para camuflar firmas térmicas. ^{[ 32 ]} Los estudios también han explorado recubrimientos antirreflectantes reversiblemente ajustables , que aumentaron la transmisión de luz visible y la antirreflexión. ^{[ 34 ]}  Los brocosomas también se han considerado como inspiración para recubrimientos antirreflectantes omnidireccionales, materiales absorbentes de luz y camuflaje multiespectral. ^{[ 35 ]}

Los brocosomas también se han estudiado para el almacenamiento de información. Debido a las diferentes propiedades ópticas de los brocosomas bajo luz visible e infrarroja, han surgido nuevas metaestructuras para la codificación. Estas metaestructuras en el rango visible se ven idénticas, mientras que en el infrarrojo hay una diferencia de energía que permite su visibilidad. Esta técnica se ha utilizado para crear códigos QR microscópicos que miden menos del 2 % de una pulgada. ^{[ 36 ] [ 37 ]} Otras aplicaciones que se están explorando son las medidas contra la falsificación, el cifrado de información y su uso en billetes. ^{[ 33 ]}

Las superficies de los brocosomas también han inspirado el desarrollo de materiales superanfifóbicos . El comportamiento no humectable de los brocosomas se está utilizando para fabricar superficies más avanzadas. ^{[ 38 ]}

• Brocosomas Encuesta de Historia Natural de Illinois
• Base de datos de imágenes de brocosomas de huevos de cicadélidos por RA Rakitov, Illinois Natural History Survey.