La presencia de estructuras semejantes a espejos es muy comunes en la naturaleza. Estos “espejos biológicos” son estructuras que reflejan un gran porcentaaje de la luz que incide sobre ellos. Normalmente, están constituidos de de materiales con un alto índice de refracción dentro de una matriz de de uno o más componentes con un bajo índice de refracción, tales como el agua o el citoplpasma de las células. Estas estructuras -que pueden ser extremadamente complejas- son las responsables de muchos de los colores estructurales que encontramos en la naturaleza. La mayoría de los colores estructurales de las ranas son producidos por células de la piel conocidas como iridóforos, que contienen grandes cantidades de cristales de guanina. Sin embargo, más allá de las células de la piel, cientos de especies de ranas arborícolas tienen tejidos blancos altamente reflectantes que cubren sus órganos internos o músculos y que reflejan ampliamente la luz visible y el infrarrojo cercano.
En nuestos trabajos previos descubrimos que en muchas ranas, el color verde semejante al de las hojas es modulado por BBSs. Estas proteínas crean el color verde al absorber la luz azul y roja. Sin embargo, los colores que vemos no son solamente el resultado de la absorción de luz. Si los colores dependieran solamente de pigmentos, al incrementar su concentración solo se substraería luz de un sistema con lo cual los animales solo podrían volverse máas opacos. Para controlar el brillo y la saturación, las ranas arborícolas deben poder incrementar la cantidad de luz verde que reflejan, yq ue precisamente no es aabsorbida por las BBSs de su linfa. Aquí es donde entran en juego los espejos blancos que cubren sus órganos y peritoneo. Con una capacidad de reflejar mås del 60% de la luz indidente, los espejos biológicos son clave en la creación de colores en biología, pero aún así, nuestro conocimiento sobre su anatomía, bioquímica y óptica es limitado.
Nuestros resultados preliminares mostraron que el peritoneo blanco contiene millones de nanocristales compuestos de guanina/hipoxantina, purinas ricas en nitrógeno derivadas del metabolismo del ADN.
En el laboratorio estamos interesadosen estudiar los mecanismos bioquímicos del metabolismo del nitrógeno que permiten la deposición de cristales. También estamos interesados en analizar cómo las diferentes organizaciones estructurales de estos cristales crean variaciones locales en las propiedades de dispersión de luz en los los tejidos y, en última instancia, a nivel de todo el organismo. Para ello utilizamos una combinación de técnicas de biología molecular,bioquímica, óptica, microscopía, química y enfoques computacionales como Monte Carlo.
Reflectancia en el infrarrojo cercano: Mecanismos convergentes del fenómeno del límite espectral rojo en ranas
Cientos de ranas arborícolas tienen espectros de reflectancia característicos en la zona del espectro entre el rojo y el infrarrojo. Este fenómeno se conoce como el límite del rojo y consiste en un aumento pronunciado en la cantidad de luz que se refleja en la transición de la porción roja a la infrarroja del espectro, siendo un rasgo característico de la reflectancia del follaje. En nuestro trabajo, demostramos que el origen del límete del rojo en numerosas ranas arborícolas depende de una variedad de características tisulares, bioquímicas y ópticas, que incluye pieles translúcidas, altas concentraciones de BBS y espejos biológicos. Sin embargo, existen numerosas especies adicionales de ranas, cuyos espectros de reflectancia convergieron en una apariencia similar a una hoja, a pesar de carecer de algunas, o todas, de estas características. Las ranas de la subfamilia Phyllomedusine –como las ranas arborícolas de ojos rojos o las ranas mono, entre muchas otras– son un excelente ejemplo de ello.
En nuestro laboratorio, estamos interesados en los mecanismos convergentes que explican la existencia del fenómeno dell límite rojo. En colaboración con el Laboratorio de imágenes fotoacústicas de la Universidad de Duke, estamos utilizando imágenes fotoacústicas hiperespectrales para describir las características de absorción de las células pigmentarias en la piel de las ranas que reflejan el infrarrojo cercano en la vida real. Muchos pigmentos cambian notablemente sus propiedades ópticas en diferentes entornos químicos, por ejemplo, cuando los pigmentos se extraen, purifican y solubilizan en diferentes solventes. El uso de técnicas no invasivas de adquisición de imágenes nos permite investigar las propiedades ópticas de los pigmentos de las ranas in vivo, lo que nos brinda una descripción más realista de la absorción de luz por parte de los tejidos. Estos resultados, en combinación con otras mediciones ópticas y varias técnicas de microscopía nos proveen resultados que podemos emplea en modelos ópticos para comprender mejor los mecanismos que crean los fenotipos de las ranas con alta reflexión en el infrarrojo cercano.