ANIMALES. Quitina: la armadura invisible de los artrópodos

  El ojo compuesto de este avispón está formado por miles de lentes de quitina. Imagen: Nikola Rahmé . Los artrópodos constituyen el grupo m...

 

El ojo compuesto de este avispón está formado por miles de lentes de quitina. Imagen: Nikola Rahmé.

Los artrópodos constituyen el grupo más diverso del reino animal. Entre ellos se encuentran los insectos, que han batido récords evolutivos al lograr establecerse en una gran variedad de ecosistemas, tanto acuáticos como –sobre todo y con diferencia– terrestres. 

Esta fantástica versatilidad se debe en gran medida a la quitina, una sustancia que forma parte del revestimiento más externo de su cuerpo, así como de sus alas y otras partes flexibles. Al igual que la celulosa –principal componente de las paredes celulares vegetales–, la quitina está hecha de moléculas de glucosa, pero además contiene nitrógeno, elemento que le aporta una mayor resistencia. 

La quitina es el componente principal del exoesqueleto de los artrópodos, supuestamente el primer elemento rígido surgido en los organismos pluricelulares. Ya estaba presente en los artrópodos hace 550 millones de años. Segregada por la epidermis, se combina con otros compuestos para formar la denominada cutícula, que gracias a su revestimiento ceroso repele el agua. 

Es un misterio de dónde proviene el deslumbrante color de la cutícula de los escarabajos joya (Anthaxia croesus). Es probable que intervengan varias proteínas unidas a la quitina.

El escarabajo joya Eurythyrea quercus luce una vistosa coloración: reflejos metálicos iridiscentes en los élitros y brillo azul en el abdomen. Tanto los élitros como el abdomen contienen quitina, una sustancia que protege a los insectos como si de una armadura se tratara. Imagen: Nikola Rahmé

Extraordinariamente dura pero flexible, la quitina refuerza el aparato bucal de insectos, arañas y otros artrópodos permitiéndoles cortar ciertos tipos de piedra y metal, y proporciona elasticidad entre los segmentos rígidos de su cuerpo, dotándolo de agilidad y rapidez. Las diminutas y delicadas escamas que recubren a algunos insectos, como las mariposas, también contienen quitina. Así como los delgados tubos traqueales que conforman su sistema respiratorio y los pelos con los que recolectan el polen. 

Así pues, la quitina es capaz de casi todo, excepto de permitir que el exoesqueleto se expanda. Por este motivo, los artrópodos han de mudar el exoesqueleto para crecer. Cada cierto tiempo no les queda más remedio que dejar temporalmente su cuerpo al descubierto y despojarse de una armadura protectora de quitina que les ha quedado pequeña.

Las antenas pectinadas de un escarabajo de resorte (Anostirus purpureus) están compuestas de quitina flexible.

Los artrópodos usan quitina y varias proteínas como materiales básicos de su cutícula que forma sus exoesqueletos. El exoesqueleto está compuesto por elementos esqueléticos con propiedades físicas adaptadas a su función ya las cepas ecofisiológicas del animal. Estas propiedades se logran formando microestructuras elaboradas que se organizan en varios niveles jerárquicos, como la denominada estructura de madera contrachapada retorcida, que se construye mediante pilas de matrices planas de fibras complejas de quitina y proteína.

Además, las propiedades están influenciadas por variaciones en la composición química de la cutícula, por ejemplo, al combinar el material orgánico con nanopartículas inorgánicas. Desde el punto de vista de la ciencia de los materiales, esto convierte a la cutícula en un material compuesto jerárquico de gran versatilidad funcional. 

Izquierda: las antenas geniculadas del gorgojo de la nuez (Curculio nucum) pueden replegarse sobre la probóscide. Los gorgojos perforan las plantas para depositar sus huevos. Derecha: a simple vista se diría que la cutícula del gorgojo Polydrusus formosus es verde, pero un examen detenido revela que el color proviene de las profusas escamas de quitina.


Esta cutícula está hecha en gran parte de quitina, un polisacárido transparente, un polímero hecho de muchas unidades de azúcar unidas. El almidón y la celulosa son polisacáridos bien conocidos. La quitina es un poco diferente, porque su unidad es una forma modificada de glucosa llamada N-acetil-D-glucosamina. En la cutícula, las capas de quitina y proteína están dispuestas con direcciones de "grano" alternas como la madera contrachapada. Esto lo hace muy fuerte para su peso, ideal para alas de insectos. También puede ser muy elástico y flexible, y es resistente al agua ya muchos productos químicos.

Comprender y finalmente aplicar los principios de diseño subyacentes de la cutícula conlleva el potencial para la realización de una generación completamente nueva de materiales estructurales hechos por el hombre.


El tupido pelaje de esta hembra de araña de terciopelo (Eresus hermani), que cubre incluso sus enormes quelíceros, repele el agua.

La quitina, y especialmente su variante desacetilada, el quitosano, tiene muchas aplicaciones, por ejemplo, como material portador de fármacos o como floculante en el tratamiento de aguas residuales. A pesar de su versatilidad y accesibilidad, la quitina, el segundo polisacárido más abundante en la Tierra, hasta ahora se ha extraído comercialmente solo de crustáceos y, en menor medida, de hongos. 

Los insectos son una fuente alternativa viable de quitina, pero no han sido explotados en el pasado debido a su disponibilidad limitada. Sin embargo, hoy en día, para la producción sostenible de alimentos para animales, la cría de insectos se está desarrollando sustancialmente. La disponibilidad de grandes cantidades de biomasa de insectos y productos secundarios ricos en quitina, como exuvias y exoesqueletos, ha ido en aumento.

Más información:

Helge-Otto Fabritius, et al. Chitin in the Exoskeletons of Arthropoda: From Ancient Design to Novel Materials Science. November 2010. DOI:10.1007/978-90-481-9684-5_2

Mowatt, T., Inspired by insect cuticle, Wyss researchers develop low-Cost material with exceptional strength and toughness, wyss.harvard.edu/viewpressrelease/72/, 13 December 2011.

Thomas Hahn et al. Current state of chitin purification and chitosan production from insects. 10 July 2020. https://doi.org/10.1002/jctb.6533

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