El premio Nobel de Química 2023 ha sido para Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus y Alexei I. Yekimov por «el descubrimiento y síntesis de los puntos cuánticos» según el anuncio de la Academia Sueca de Ciencias. Los puntos cuánticos son cristales de nanopartículas formadas por unos pocos miles de átomos que presentan distintas propiedades ópticas y electrónicas en función de su tamaño.
Alexei I. Yekimov trabaja desde 1999 en Nanocrystals Technology, New York State. Graduado en física por la Universidad de Leningrado y doctorado por el Instituto Ioffe de la Academia Rusa de Ciencias. En 1981 descubrió los efectos cuánticos asociados al tamaño en nanopartículas de cristales de cloruro de cobre.
Louis E. Brus trabaja en la universidad de Columbia, Estados Unidos. Estudió química en la universidad Rice, Houston, Texas e hizo el doctorado en la universidad de Columbia, New York. En 1973 empezó a trabajar en los laboratorios Bell en nanocristales semiconductores, lo que le llevó a la síntesis química de puntos cuánticos en fase coloidal. En la década de 1980 descubrió los efectos cuánticos dependientes del tamaño en nanopartículas flotando libremente en un fluido.
Moungi G. Bawendi trabaja en el Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, MA, USA. Nacido en París, Francia, su padre era matemático tunecino. Estudió química en la universidad de Harvard, Estados Unidos e hizo el doctorado en la universidad de Chicago. Después trabajó en los laboratorios Bell, donde Louis Brus le introdujo en la investigación de los puntos cuánticos. En 1993 revolucionó la producción de puntos cuánticos creando partículas casi perfectas, calidad necesaria para la tecnología de nanopartículas.
De los cristales de colores a las nanopartículas de colores
En 1979, Alexei Yekimov y su equipo del Vavilov State Optical Institute de San Petersburgo, Rusia, trabajaban con cristales dopados con metales, utilizando el históricamente bien conocido efecto de los colores que se conseguían añadiendo pequeñas cantidades de metales a la masa del vidrio. Dopando el vidrio con pequeñas cantidades de CuCl (cloruro cuproso), ligeramente por encima de su solubilidad en el medio, calentando la mezcla hasta 500 o 700 ºC durante un tiempo entre 1 y 96 horas y bajando después la temperatura hasta 4, 2 K, observaron la aparición de un espectro de luz similar al de láminas delgadas de CuCl pero que variaba según la temperatura y la duración del calentamiento. Con espectroscopia de rayos X detectaron la formación de cristales de CuCl de tamaños entre 2 y 30 nm (nanómetros). Observaron que el color de los cristales dependía de su tamaño, los más grandes emitían luz de color rojo y los más pequeños de color azul. Esto fue interpretado por Yekimov como un efecto cuántico según el cual la longitud de onda más larga, roja, era el resultado del paso de la luz incidente por una partícula mayor, mientras que la onda más corta, azul, se formaba en la partícula más pequeña.
Poco después del trabajo de Yekimov e independientemente de él, Louis Brus, trabajando en los Laboratorios Bell de Estados Unidos, se interesaba en desarrollar reacciones catalizadas por energía solar mediante pequeñas partículas de CdS (sulfuro de cadmio) en suspensión. Las partículas debían ser cuanto más pequeñas mejor, ya que así presentaban mayor superficie de interacción y mejoraban sus cualidades catalíticas. Obtuvo partículas coloidales de entre 4,5 y 12,5 nm de diámetro y observó un diferente comportamiento respecto a la luz: las partículas de 12,5 nm absorbían luz y la emitían tal y como el CdS hace habitualmente, pero las partículas más pequeñas, de 4,5 nm mostraban un color desplazado hacia el azul. Brus publicó sus resultados en 1983 y entendió, al igual que Yekimov años antes, que había descubierto efectos cuánticos ligados al tamaño de las partículas coloidales.
El descubrimiento de Yekimov y Brus abría grandes posibilidades a la química de los materiales. Era como si los átomos de la tabla periódica adquirieran una nueva dimensión: el color de sus compuestos cuando se presentaban en forma de partículas muy pequeñas, del orden de los nanómetros, en estado sólido o en forma coloidal, dependía justamente del tamaño de las partículas. Había sin embargo un inconveniente que solucionar. Las partículas sólidas o coloidales tenían tamaños muy diversos y se presentaban todas juntas. Para sacar provecho de la nueva propiedad descubierta era necesario encontrar el procedimiento mediante el cual se formaran partículas del tamaño adecuado y todas o la mayoría iguales para asegurar la calidad óptica del conjunto.
Creación de nanopartículas perfectas
Moungi Bawendi empezó a trabajar con Louis Brus en 1988 como investigador posdoctoral. Se propuso obtener nanopartículas de tamaño uniforme que asegurara una buena calidad para aplicaciones. Utilizando distintos disolventes, rangos de temperatura y técnicas mejoró la uniformidad de las partículas obtenidas, pero sin llegar a la calidad óptica que se requería. Algunos años después, cuando Bawendi ya tenía su grupo de investigación en el MIT (Massachusetts Institute of Technology) continuó sus trabajos. Introduciendo cantidad suficiente de sustancia para saturar la solución caliente que dará lugar a las nanopartículas, conseguía empezar a formar los embriones de los cristales todos a la vez. Bajando de repente la temperatura y diluyendo la solución se detenía la formación de cristales. Recalentando de nuevo y añadiendo lentamente nueva sustancia se conseguía hacer crecer uniformemente los cristales hasta el tamaño deseado. El procedimiento encontrado por Bawendi y su equipo, publicado en 1993, permitía obtener nanopartículas de tamaño preciso, casi perfectos, de una buena cantidad de sustancias, en forma reproducible.
Aplicaciones de los puntos cuánticos
Treinta años después de la publicación de Bawendi, los puntos cuánticos se encuentran en las pantallas de televisores y ordenadores basadas en la tecnología QLED o en las luces LED de color variable. También se utilizan en bioquímica y medicina, para «mapear» células y órganos o para rastrear tejidos tumorales en un organismo.
Pantalla de televisor Samsung con tecnologia QLED. Imagen Wikimedia Commons
El Nobel de Física ha sido concedido este año a Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L’Huillier «por métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio de la dinámica de los electrones en la materia». Casi se puede decir que su descubrimiento permite ver los electrones en el átomo y en las interacciones entre átomos.
1 attosegon = 10 (-18) segundos, según muestra la imagen
Anne L’Huillier es profesora de física atómica en la universidad de Lund, Suecia, desde 1997. De formación física y matemática realizó el doctorado en física experimental en la universidad Marie et Pierre Curie de París y trabajó en diferentes centros de investigación de Suecia, Estados Unidos y Francia. En 1992 trabajó en uno de los primeros experimentos de pulsos de láser de attosegundos hechos en Europa.
Pierre Agostini es profesor emérito de física experimental en la universidad de Ohio, Estados Unidos. Hizo el doctorado en la universidad de Aix-Marsella y después trabajó en el centro de investigación CEA-Paris-Saclay, Francia hasta 2002. En 2001 Agostini y su equipo crearon un pulso de 250 attosegundos de duración, combinando pulsos ultracortos de luz ultravioleta con luz infrarroja.
Ferenc Krausz, director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica desde 2003 y profesor de la universidad Ludwig Maximilian desde 2004 en Munich, Alemania. Estudió física teórica en la universidad Eötvös Loránd e ingeniería eléctrica en la universidad Técnica de Budapest, Hungría. En 2001, Krausz y su equipo seleccionaron un único pulso de 650 attosegundos que utilizaron para rastrear cómo los electrones eran separados de sus átomos.
Ondas estacionarias
Cuando se produce una vibración, en una cuerda de guitarra, por ejemplo, el rebote de la onda en los extremos de la cuerda hace que se combinen la vibración de ida y de vuelta creando lo que se llama una onda estacionaria (en la figura aparecen como «overtones» en inglés), o múltiples ondas estacionarias cuando continúa la vibración.
Los saltos electrónicos crean ondas estacionarias
Anne L’Huillier en la década de los 1990 estudia cómo interactúa la luz láser con los átomos de un gas noble. Cuando las ondas de láser se acercan al átomo hacen variar el campo electromagnético que mantiene el electrón cerca del núcleo atómico y lo suben hasta un nivel más alto de energía, cayendo después de nuevo a su nivel de energía estable y emitiendo la energía que había ganado en el salto en forma de pulso de luz. Estos saltos y emisiones se producen continuamente mientras dura la acción de las ondas láser sobre los átomos y la combinación de las ondas emitidas producen las ondas estacionarias que aparecen en los experimentos. La siguiente figura, de la Academia Sueca de Ciencias, muestra este fenómeno.
Las investigaciones posteriores de Pierre Agostini y Ferenc Krausz a partir del año 2000 consiguieron controlar los pulsos de luz e incluso aislar un solo pulso que permitía estudiar cómo un electrón era obligado a saltar a un nivel de energía superior en un átomo. Estos experimentos demostraron cómo se podían observar y medir los pulsos de attosegundos. Más tarde se consiguieron pulsos de unas pocas docenas de attosegundos con los que es posible seguir el movimiento de los electrones dentro de los átomos o en las reacciones químicas, cuando interacciona un átomo con otros.
Katalin Karikó y Drew Weissman han obtenido el Nobel de Medicina 2023, según anunció el lunes 2 de octubre la Academia Sueca de Ciencias. Nobel esperado desde el desarrollo de la vacuna de ARN contra la Covid-19, en las versiones de las empresas Pfizer-BioNTech y Moderna.
El premio Nobel les ha sido concedido «por los descubrimientos de las modificaciones de las bases de nucleósidos que permitieron el desarrollo de las vacunas de ARNm eficaces contra la Covid-19» según la Academia Sueca. No es, por tanto, un Nobel por la vacuna, sino por el descubrimiento primordial efectuado en 2005 de la forma de evitar la temida respuesta inmunitaria que se producía en las pruebas que estaban realizando de vacunas basadas en el ARN.
Desde 1980, los eficientes métodos para producir ARNm (ARN mensajero) sin tener que realizar cultivos celulares, las llamadas transcripciones in vitro, hicieron pensar en utilizar el ARNm para vacunas y otros métodos terapéuticos. Pero dificultades como la posible inestabilidad de este ARNm, el transporte con sofisticadas encapsulaciones con lípidos y el grave riesgo de reacciones inflamatorias debidas a la respuesta inmunitaria enfriaron las expectativas. En la década de 1990, Katalin Karikó, profesora asistente entonces en la universidad de Pensilvania, estaba convencida de las posibilidades del ARNm. Cuando su departamento se quedó sin financiación en 1995, tuvo que interrumpir sus investigaciones y no fue hasta dos años después, 1997, cuando aceptó trabajar en el departamento de Drew Weissman, profesor de inmunología que acababa de obtener una plaza en la misma universidad.
Ante el grave problema de la respuesta inmunitaria, Karikó y Weissman pensaron que en los mamíferos, las cuatro bases del ARN conocidas habitualmente por sus iniciales A, C, G, U (adenina, citosina, guanina, uracilo), sufren frecuentes modificaciones, mientras que en el ARNm preparado in vitro no se produce ninguna modificación. Con esta idea, produjeron distintas variantes de ARNm, cada una con una modificación en las bases. Ocho años de trabajo les llevaron a la conclusión de que la respuesta inmunitaria no se producía cuando se modificaba el uracilo del nucleósido uridina, resultado que publicaron en 2005. Esto abría definitivamente la puerta para utilizar el ARNm para vacunas y tratamientos.
La mayoría de científicos continuaron aún así siendo escépticos sobre las aplicaciones médicas del ARNm. La aparición del coronavirus de la Covid-19 fue la ocasión de demostrarlas. BioNTech y Moderna, empresas que habían comprado la licencia de la patente del descubrimiento de Karikó y Weissman en 2013, fabricaron las vacunas con los espectaculares resultados bien conocidos.
Katalin Karikó ha sido nombrada nuevamente profesora de las universidades de Pensilvania y Szeged en Hungría donde estudió biología, en 2021. Drew Weissman ha estado vinculado a la universidad de Pensilvania como profesor y investigador desde 1997.
Perelman School of Medicine. University of Pennsylvania Congratulations Dr. Katalin Karikó & Dr. Drew Weissman, COVID-19 mRNA Vaccine Pioneers https://www.med.upenn.edu/
Decir moléculas es hablar de los “ladrillos” que constituyen la mayor parte de las cosas que nos rodean e incluso de la materia de la que estamos hechos nosotros mismos. Construir moléculas en este artículo se refiere a las moléculas orgánicas que forman materiales que utilizamos cada día, o que vestimos, o de los que nos alimentamos o tomamos como medicamentos. La construcción de moléculas la estudia la química orgánica de síntesis, que se ha desarrollado en los últimos 200 años. Los dos últimos premios Nobel, de 2021 y 2022, han premiado dos nuevos métodos de síntesis orgánica, la organocatálisis asimétrica y la química click, desarrollados en los últimos 25 años.
Algunos ejemplos históricos de síntesis orgánicas
Urea, es el fertilizante de mayor consumo en el mundo agrícola. Aporta nitrógeno a las plantas. Friedrich Wöhler, químico alemán, la sintetizó en 1828, cuando todavía se pensaba que los productos orgánicos se podían sintetizar sólo en el interior de los seres vivos.
Síntesis de la urea a partir de isocianato de amonio. Imagen Wikimedia Commons
Púrpura de Perkin, o mauveïna, primer colorante sintético obtenido en 1856 por William Henry Perkin, químico británico. La fabricación de colorantes sintéticos a partir de la anilina fue la base de la empresa BASF, fundada en Mannheim, Baden-Wurtemberg, Alemania, que en 1869 se adelantó en un día a Perkin al patentar la síntesis de la alizarina, colorante también basado en la anilina. BASF está ahora en Ludwigshafen, Renania-Palatinado, Alemania, cercana a Mannheim, al otro lado del Rin.
BASF en Ludwigshafen, Alemania, en 1865. Imagen Wikimedia Commons
Aspirina Bayer, 1899. Imatge Wikimedia Commons
Aspirina, o ácido acetilsalicílico. Desde tiempo inmemorial se conocía el efecto del extracto de corteza de sauce contra la fiebre y para aliviar el dolor. En 1829, el químico francés Henri Leroux extrajo el ácido salicílico de la corteza del sauce. Pero el ácido salicílico tenía inconvenientes como su sabor muy amargo y que provocaba irritación de estómago, por lo que se buscaron derivados que no presentaran estos inconvenientes. Charles Frédéric Gerhardt, químico francés, sintetizó el ácido acetilsalicílico en 1853. En 1897, Felix Hoffmann de la empresa alemana Bayer mejoró el procedimiento obteniéndolo con gran pureza y comercializándolo con el nombre de aspirina.
Joan Oró i Florensa. Imagen Wikimedia Commons
Adenina, molécula que forma parte de los ácidos nucleicos, portadores del código genético y esenciales para la vida. Fue sintetizada en 1959 a partir del ácido cianhídrico por Joan Oró, bioquímico catalán nacido en 1923 en La Bordeta, Lérida. Su síntesis a partir de un producto inorgánico, contribuyó a fundamentar el razonamiento de que las moléculas clave para la vida podían formarse a partir de sustancias simples, en la Tierra o fuera de ella. El primer paso de este razonamiento fue el famoso experimento de Stanley Miller y Harold Urey que en 1953 mostraron cómo, a partir de agua, metano, amoniaco e hidrógeno, podrían haberse formado espontáneamente diferentes aminoácidos, los ladrillos básicos de las proteínas, en la atmósfera de la Tierra primigenia.
Moléculas que son imagen en el espejo de otra
La naturaleza construye moléculas dentro de los seres vivos utilizando las enzimas, sustancias muy complejas que tienen la capacidad de provocar la reacción necesaria para obtener una molécula específica. Cuando los químicos han imitado a la naturaleza construyendo estas moléculas, se han encontrado muchas veces que se producían a la vez productos indeseados. O también que muchas moléculas existen en dos versiones que son una imagen en un espejo de la otra y con algunas propiedades muy diferentes. Por ejemplo, el limoneno, sustancia natural que da el aroma característico de los cítricos, existe en dos formas, una imagen especular de la otra. La diferencia entre ambas es que, mientras una tiene un aroma a limón, la otra la tiene a naranja. Pero en ocasiones, la diferencia puede traer otras consecuencias mucho más graves.
Talidomida. Imagen Wikimedia Commons
En la década de 1960 se produjo el escándalo de la talidomida, fármaco comercializado por la empresa alemana Grünenthal GmbH, que se recetaba a las embarazadas como sedante o para prevención de las náuseas. La molécula de talidomida también puede presentarse en dos formas, que son una imagen especular de la otra. Se había utilizado en muchos países desde 1957 hasta 1963, cuando se puso de manifiesto que producía malformaciones congénitas en los recién nacidos. En el proceso de fabricación se obtenía una mezcla de ambas formas, pero era una sola la que producía las malformaciones. Se produjeron unos 10.000 casos en todo el mundo, cuyas consecuencias todavía se arrastran.
Francia y Estados Unidos no autorizaron la venta del medicamento por las incertidumbres en cuanto a la seguridad del medicamento, que fueron ignoradas en otros países, entre ellos España. Desde el 02.02.2023 se vuelve a utilizar la talidomida en la sanidad pública española. Está autorizada para enfermos de mieloma múltiple, un tipo de cáncer de sangre. Esto ha hecho reavivar las quejas de los afectados de hace 60 años que todavía tienen pendientes las ayudas prometidas.
Organocatálisis
El premio Nobel de Química 2021 fue para Benjamin List, Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr, Germany y David W.C. MacMillan, Princeton University, USA, por «el desarrollo de la organocatálisis asimétrica».
Primera reacción de organocatálisis: Justus von Liebig, químico alemán que desarrolló la química de los fertilizantes y fundó una empresa de fabricación de extractos de carne, hizo en 1860 la primera reacción que ahora podríamos llamar de organocatálisis, la síntesis de la oxamida, utilizando acetaldehído como catalizador. La oxamida es un fertilizante alternativo a la urea, que libera nitrógeno más lentamente. Los catalizadores que se emplearon posteriormente en síntesis orgánica fueron sin embargo metales o enzimas, no se consideró la idea de buscar sustancias orgánicas que pudieran actuar como catalizadores.
1a reacción de organocatàlisis de Justus von Liebig en 1860. Imagen Wikimedia Commons
Muchas industrias dependen de la capacidad de los químicos para construir moléculas nuevas y funcionales. Hoy en día se necesitan nuevas sustancias, por ejemplo, para capturar luz en células solares o almacenar energía en baterías, o fabricar zapatos de correr más ligeros o inhibir el progreso de una enfermedad dentro del cuerpo, . . .
Benjamin List (Frankfurt, Alemanya, 1968), después de terminar el doctorado en Frankfurt en 1997, fue a trabajar al Instituto Scripps, La Jolla, California, en anticuerpos catalíticos. Modificaba los anticuerpos para que tuvieran capacidad para catalizar reacciones. Pensando en cómo trabajaban las enzimas y viendo que el efecto catalítico lo hacía muchas veces un determinado aminoácido de la enzima, por ejemplo, la prolina, se preguntó si ese aminoácido por sí solo podría tener el mismo efecto catalítico.
List consiguió demostrar con sus experimentos que la prolina no sólo es un buen catalizador, sino que es capaz de realizar una catálisis asimétrica, generando muy mayoritariamente uno de los dos posibles productos finales que son imagen especular uno del otro.
Algo más al Norte, David MacMillan llegaba a la universidad de Berkeley en 1998. Procedía de Harvard donde había trabajado en catálisis asimétrica utilizando metales como catalizadores. Le llamaba la atención que los catalizadores que él utilizaba en el laboratorio no eran útiles para la industria, ya que el cambio de escala hacía que fueran caros y difíciles de manipular. En su trabajo en Berkeley dejó a un lado los metales y se centró en conseguir moléculas orgánicas relativamente simples, que hicieran el papel de los metales, suministrando o capturando electrones en el curso de una reacción. Pensó que el ion iminio (doble enlace C=N), que tiene la capacidad de bajar la barrera de energía para permitir que se desarrollen algunas reacciones, podría actuar como un catalizador orgánico asimétrico. MacMillan probó el iminio como catalizador de una reacción, llamada de Diels-Alder, que utilizan los químicos para construir anillos de carbonos y obtuvo resultados de catálisis asimétrica que daban un 75% del producto final específico buscado. Esperando mejorar los resultados, siguió trabajando durante seis meses, con la inquietud de que algún otro grupo se adelantara a la publicación. MacMillan dice que fueron los seis meses más estresantes de su vida. Finalmente logró más del 90% del producto final buscado y publicó el resultado.
MacMillan se dio cuenta de que había descubierto un nuevo método de catálisis basado en pequeñas moléculas orgánicas. Otros investigadores, como el caso de Justus von Liebig antes citado, habían publicado en el pasado alguna reacción de catálisis orgánica, pero no habían pensado que el método se podía generalizar.
List y MacMillan enviaron sus resultados a la revista Journal of the American Chemical Society a principios del 2000, con un mes de diferencia, y fueron publicados poco después, en febrero y abril. MacMillan en su publicación emplea por primera vez el término organocatálisis, poniendo nombre a un nuevo campo de la catálisis química. Desde 2000, se han descubierto gran cantidad de catalizadores orgánicos baratos y estables para ser utilizados en una gran variedad de reacciones. Aunque MacMillan y List han mantenido una posición de liderazgo en este campo.
La organocatálisis mejora el rendimiento y simplifica el proceso de construcción de moléculas. Un caso paradigmático es la síntesis de la estricnina, alcaloide de gran toxicidad que se utiliza como pesticida contra pájaros y roedores. A finales del siglo XIX y principios del XX fue probada para potenciar el rendimiento de los atletas o como cuidado para el alcoholismo. La síntesis de la estricnina, conseguida en 1957 por Robert Burns Woodward, químico de Estados Unidos, implicaba 29 reacciones químicas distintas y sólo el 0,0009 del material empleado se transformaba en estricnina. En 2011, fue conseguida la síntesis con organocatálisis, mediante 12 reacciones en cascada y con un rendimiento 7000 veces superior.
La organocatálisis ha tenido un gran impacto en la producción de medicamentos. Muchas veces la síntesis de un producto farmacéutico da dos productos a la vez, que son uno imagen especular del otro, aunque sólo uno tiene valor como medicamento. Si el otro no actúa, pero es inocuo, se pueden suministrar ambos a la vez, pero en ocasiones el otro tiene efectos secundarios indeseados, como en el caso citado de la talidomida. La organocatálisis puede ser en muchos casos asimétrica, haciendo que se produzca sólo el producto que nos interesa y no su imagen especular.
Éxitos de la organocatálisis han sido:
– Permitir la obtención de nuevos fármacos que antes sólo podían ser obtenidos en pequeñas cantidades de plantas raras o de organismos del fondo marino. – Optimizar la producción de fármacos como la paroxetina, medicamento para la ansiedad y la depresión. – O el antiviral osetalmivir, que se utiliza para tratar infecciones respiratorias. – El diseño de moléculas de las que se desea probar la actividad biológica. Muchos departamentos universitarios y muchas empresas farmacéuticas utilizan rutinariamente la organocatálisis para construir estructuras moleculares sobre las que van probando diferentes grupos funcionales hasta tener un conjunto de moléculas entre las que decidirán cuáles se probarán en el laboratorio.
Química click
El premio Nobel de Química 2022 ha sido entregado a K. Barry Sharpless, Scripps Research, La Jolla, CA, USA, Morten Meldal, University of Copenhagen, Denmark y Carolyn R. Bertozzi, Stanford University, CA, USA, por, «el desarrollo de la química click y la química bioortogonal», según declaró la Academia Sueca de Ciencias el 5 de octubre de 2022.
Química click se refiere a un tipo de reacciones en las que unas pequeñas moléculas escogidas permiten la unión de otras mayores, como las biomoléculas. La forma de generar productos sigue ejemplos de la naturaleza. Las reacciones click se desarrollan muy rápidamente y no generan productos secundarios indeseados. Se han utilizado en síntesis de fármacos y en la detección, localización y caracterización de biomoléculas como las proteínas. El nombre química click (click chemistry) fue utilizado por primera vez en 1998 por K. Barry Sharpless.
En 2002, Meldal primero y Sharpless pocos meses después, publicaron independientemente uno del otro la que es la principal reacción click de las conocidas hasta ahora: una azida (grupo de 3 átomos de nitrógeno) reacciona con un alquino (grupo de 2 átomos de carbono con un triple enlace) formando un anillo (ciclo) de 5 átomos, 3 de nitrógeno y 2 de carbono. La reacción tiene lugar en presencia de iones de cobre, que actúan como catalizador. Como muestra la gráfica de arriba, si los químicos quieren unir dos moléculas, uniendo previamente una azida a una molécula y un alquino a la otra y poniendo iones cobre como catalizador, pueden conseguir fácilmente unir ambas moléculas mediante la reacción click azida – alquino.
La simplicidad de la reacción click se ha hecho muy popular, tanto en investigación, para descubrir nuevos materiales, como en la industria. Si un fabricante agrega una azida clicable a un plástico o fibra, cambiar el material en una etapa trasera puede ser muy fácil. Así, se puede hacer click en sustancias que conducen la electricidad, capturan la luz del Sol, son antibacterianas, protegen de la radiación ultravioleta o tienen otras propiedades, añadiendo estas propiedades a las del plástico o fibra.
Meldal y Sharpless reconocieron y dieron a conocer el enorme potencial de la química click, pero no pensaron en las aplicaciones para seres vivos, que empezó a desarrollar Carolyn R. Bertozzi.
Química bioortogonal es un término utilizado por Carolyn R. Bertozzi desde 2003, para describir aquellas reacciones químicas que tienen lugar dentro de los seres vivos pero sin interferir con los procesos bioquímicos naturales.
Bertozzi estaba interesada en estudiar el papel que juegan los glicanos, un tipo de azúcares, en infecciones víricas y en acciones del sistema inmune. Consiguió marcar los glicanos que se sitúan en la superficie de la célula con una reacción click. Las células cancerosas utilizan los glicanos para permanecer enmascaradas frente al sistema inmune. Teniendo marcados los glicanos, Bertozzi ha desarrollado un fármaco, ahora en fase de pruebas clínicas, que permite destruir a los glicanos y así desenmascarar las células cancerosas. Ver la información más detallada sobre Carolyn Bertozzi en este mismo blog en https://www.deciencia.net/descubrimiento/blog/2023/02/11/carolyn-bertozzi-nobel-de-quimica-2022/
Benjamin List, Richard A. Lerner, and Carlos F. Barbas, Proline-Catalyzed Direct Asymmetric Aldol Reactions. . Am. Chem. Soc. 2000, 122, 10, 2395–2396. Publication Date:February 26, 2000 https://doi.org/10.1021/ja994280y
Kateri A. Ahrendt, Christopher J. Borths, and David W. C. MacMillan, New Strategies for Organic Catalysis: The First Highly Enantioselective Organocatalytic Diels−Alder Reaction. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 17, 4243–4244. Publication Date:April 15, 2000 https://doi.org/10.1021/ja000092s
Primer artículo publicado por Meldal sobre la primera reacción click, año 2002: Tornøe, C. W.; Christensen, C.; Meldal, M. Peptidotriazoles on Solid Phase: [1,2,3]- Triazoles by Regiospecific Copper(I)-Catalyzed 1,3-Dipolar Cycloadditions of Terminal Alkynes to Azides. J. Org. Chem. 2002, 67 (9), 3057–3064. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jo011148j
Primer artículo publicado por Sharpless sobre la primera reacción click, año 2002: Rostovtsev, V. V.; Green, L. G.; Fokin, V. V.; Sharpless, K. B. A Stepwise Huisgen Cycloaddition Process: Copper(I)-Catalyzed Regioselective “Ligation” of Azides and Terminal Alkynes. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41 (14), 2596–2599. https://dx.doi.org/10.1002/1521-3773(20020715)41:14%3C2596::AID-ANIE2596%3E3.0.CO;2-4
Carolyn Bertozzi es una de las científicas más destacadas del momento. Este artículo la quiere mostrar como representante de las mujeres científicas y ejemplo para las jóvenes y niñas el día 11 de febrero, Día de la Mujer y la Niña en la Ciencia 2023.
Química click
Carolyn R. Bertozzi, Stanford University, CA, USA, fue la ganadora del premio Nobel de Química 2022, junto con K. Barry Sharpless, Scripps Research, La Jolla, CA, USA y Morten Meldal, University of Copenhagen, Denmark, por «el desarrollo de la química click y la química bioortogonal».
Química click es una nueva manera de llevar a cabo reacciones químicas, desarrollada inicialmente por Sharpless y Meldal, en las que unas pequeñas moléculas permiten la unión de otras mayores, como las biomoléculas. Ver artículo Química click en este mismo blog. Carolyn Bertozzi da un paso más y adecúa la química click a reacciones que tienen lugar dentro de los seres vivos, pero sin interferir en los procesos bioquímicos naturales. Bertozzi llama a sus procedimientos química bioortogonal.
Bertozzi estaba interesada, desde el principio de los 1990’s, en «mapear» los glicanos, un tipo de azúcares que juegan un papel en muchos procesos biológicos, como las infecciones víricas o la actuación del sistema inmune. Pensaba que poder seguir la posición de los glicanos en la superficie de las células o de las proteínas, daría información clave para tratar determinadas enfermedades. Para ello debería añadir a los glicanos alguna pequeña molécula que no interfiriera en sus funciones en el interior de la célula. Entre 1997 y 2000, Bertozzi modificó una reacción bien conocida, la reacción de Staudinger, para añadir una azida (grupo de 3 átomos de nitrógeno) a los glicanos. La azida no interfiere con los procesos celulares.
En la misma época, se empezaba a extender la idea de la química click de Meldal y Sharpless, por lo que Bertozzi sabía que la azida podía reaccionar fácilmente con un grupo alquino (grupo de 2 átomos de carbono con un triple enlace), mediante una reacción click. El problema era que la reacción debía ser catalizada por iones cobre y esto la hacía inviable en el interior de los seres vivos, por la toxicidad de los metales. Investigando en la literatura científica, Bertozzi encontró que, en 1961, se había descrito una reacción entre una azida y un alquino situado dentro de un anillo, una estructura cíclica, que se producía espontáneamente, casi en forma explosiva, sin ningún catalizador. Ya tenía la forma de hacer reaccionar la azida de los glicanos cuando estaban en el exterior de las células y, por tanto, marcar la posición de los glicanos.
En su laboratorio probó que la reacción clic entre la azida añadida a los glicanos y un alquino dentro de un anillo se producía espontáneamente, sin necesidad de catalizador y que no interfería con los sistemas biológicos. Denominó esta reacción bioortogonal, abriendo el camino para otras reacciones similares que no interfirieran en los procesos celulares. El resultado lo publicó en 2004. Desde entonces, Bertozzi y otros muchos investigadores han utilizado esta reacción para explorar cómo las biomoléculas interactúan con la célula y para estudiar cómo se desarrollan algunas enfermedades.
Bertozzi ha focalizado su investigación en los glicanos que se sitúan en la superficie de las células cancerosas, enmascarándolas y protegiéndolas de la acción del sistema inmune del cuerpo. Para bloquear esta protección ha preparado, a través de la empresa Palleon Pharmaceuticals, creada por ella, un fármaco que es un anticuerpo específico de glicanos que se une a las enzimas que descomponen los glicanos de la superficie de las células tumorales. Este fármaco está ahora, 2023, en fase de pruebas clínicas en enfermos con cánceres avanzados. En declaraciones del pasado 10 de enero al diario El País, Bertozzi lo describe como un «cortacésped» que corta a los glicanos que enmascaran las células tumorales.
Semblanza biográfica
Carolyn Bertozzi en 2022. Imagen Wikimedia Commons
Carolyn Bertozzi nació el 10 de octubre de 1966 y creció en Lexington, ciudad muy cercana a Boston, Massachusetts, Estados Unidos. Su padre, William, fue profesor de física en el Massachusetts Institute of Technology, MIT. En casa siempre hubo un ambiente científico. El padre tenía la idea de que Carolyn y sus dos hermanas harían la carrera y el doctorado en el MIT con una mezcla de orgullo y la promesa de matrícula gratuita. Pero Andrea, la hermana mayor escogió Princeton y Carolyn fue a Harvard, con gran consternación del padre.
Carolyn comenzó su carrera en Harvard en 1984 y aprovechó su habilidad con el teclado tocando en diferentes bandas universitarias de rock. Pero se centró en los estudios de ciencias, primero biología y después química, en la que se licenció. Particularmente le gustó la química orgánica.
Para realizar el doctorado escogió la universidad de California, Berkeley CA, donde trabajó en la síntesis de oligosacáridos, un tipo de azúcares. En Berkeley descubrió que los virus pueden unirse a los azúcares dentro del cuerpo, lo que le llevó a lo que ha sido su principal campo de investigación, la glicobiología. Terminado el doctorado en 1993, fue a la universidad de California, San Francisco, donde trabajó en la modificación de proteínas y azúcares de las paredes celulares, para que las células aceptaran materiales extraños. En 1996 regresó a la universidad de California, Berkeley CA como miembro de la facultad de química.
Desde 2004 ha utilizado los procedimientos de la química bioortogonal, ideada por ella misma. Tras pasar por prestigiosos centros de investigación, desde 2015 es miembro del instituto de química de la universidad de Stanford, California, donde estudia los glicanos presentes en la superficie de las células implicados en el reconocimiento y comunicación intercelular, que tienen que ver con enfermedades como el cáncer o la tuberculosis y trastornos inflamatorios como la artritis.
Carolyn Bertozzi es lesbiana declarada abiertamente desde los años 80’s. Tiene una mujer y tres hijos. Asistió a la ceremonia del Nobel con su pareja, único caso en la historia del Nobel en que los dos miembros de la pareja fueran del mismo sexo. En la entrevista antes citada de El País, expresa algunas opiniones al respecto: cree que ha tenido más inconvenientes en su carrera por ser mujer que por ser homosexual; la sociedad ha cambiado en los últimos años respecto a la homosexualidad ya que, de haber nacido diez años antes, no habría podido encontrar un trabajo en Estados Unidos siendo lesbiana; hay todavía muchos países en los que están penadas las relaciones sexuales entre personas del mismo sexo; en Qatar por ejemplo la condenarían a muerte, pero estarían encantados de utilizar sus fármacos contra el cáncer.
Primer articulo publicado por Bertozzi sobre la química bioortogonal, año 2004: A Strain-Promoted [3 + 2] Azide−Alkyne Cycloaddition for Covalent Modification of Biomolecules in Living Systems. Nicholas J. Agard, Jennifer A. Prescher, and Carolyn R. Bertozzi. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 46, 15046–15047. November 2, 2004. https://doi.org/10.1021/ja044996f
El pasado 5 de diciembre el Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) de California realizó un experimento de fusión nuclear por el procedimiento inercial en el que, por primera vez, se generó un 50% más de energía de fusión que energía utilizada para obtenerla. El departamento de Energía del gobierno de Estados Unidos anunció este evento histórico el 13 de diciembre.
Representación de los haces de rayos láser incidiendo en el combustible nuclear. Imagen LLNL
192 haces de láser se concentran en un pequeña cámara donde se encuentra el combustible nuclear formado por los isótopos del hidrógeno, deuterio y tritio que, llegando a millones de grados de temperatura, se transforman en helio generando la energía de fusión como ocurre en el interior de las estrellas. La energía aportada por los haces láser fue de 2.05 megajulios (MJ) y la obtenida de 3,15 MJ. Es sólo un paso adelante ya que la cantidad de energía obtenida debería ser muy superior, pero demuestra por primera vez la viabilidad de este procedimiento, basado en los rayos láser, que tardará probablemente decenios en proporcionar energía para sustituir la de los combustibles fósiles actuales.
La geotermia a 20 km de profundidad podría ser la solución para disponer de una energía prácticamente ilimitada, la energía del magma terrestre, que permitiría dejar de utilizar combustibles fósiles e incluso energía nuclear. Y podría estar disponible en tan sólo 5 o 6 años. Quaise, empresa nacida en 2018 en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), ha realizado pruebas muy positivas de un sistema de perforación mediante ondas milimétricas (microondas de longitud de onda del orden de 1 mm) que permitiría llegar a profundidades en las que se encontrara magma a 500ºC en cualquier punto de la superficie de la Tierra. Así, podría perforarse en los mismos lugares donde se encuentran las centrales térmicas actuales y el vapor generado en profundidad movería las turbinas que mueven actualmente los combustibles fósiles, para producir electricidad. Se dispondría de una fuente de energía prácticamente inagotable y sin inconvenientes medioambientales.
El sistema de perforación de Quaise se basa en el girotrón (gyrotron en inglés), un tipo de tubo de vacío de haz lineal que genera ondas milimétricas mediante electrones acelerados hasta velocidades relativistas. Fue inventado en los años 1970 en el Instituto de Investigaciones Radiofísicas de Nizhni Nóvgorod, Rusia, entonces Unión Soviética. Las ondas milimétricas de alta potencia funden cualquier tipo de roca, dejando un agujero cilíndrico a través del cual se inyecta agua que se convierte en vapor a alta presión y temperatura en contacto con el magma.
Los planes de Quaise, que ha reunido ya 75 millones de dólares para financiar el proyecto, prevén:
Para 2024, disponer de la primera plataforma que combinaría la perforación rotatoria convencional para llegar a los primeros 5 km de profundidad con la perforación mediante ondas milimétricas para alcanzar hasta 20 km.
En 2026 tener un sistema piloto de geotermia en profundidad de 100 MW de potencia.
En 2028, tener la primera planta térmica convencional de combustibles fósiles reconvertida en planta de vapor geotérmico limpio.
Central geotérmica de Reikjanes. Islandia. Foto JL DiezSalida del agua de refrigeración. Central geotérmica de Reikjanes. Islandia. Foto JL Diez
La geotermia de alta temperatura hace ya años que se utiliza, por ejemplo en Islandia, aprovechando que allí el magma se encuentra a pocos kilómetros de profundidad. La primera foto muestra la central geotérmica de Reykjanes, de 100 MW de potencia que funciona desde 2006. Aprovecha un depósito de fluido salino, similar al agua del mar, que se encuentra a 300 ºC de temperatura a una profundidad de entre 2 y 3 km. Las turbinas, intercambiadores de calor y condensadores de la central van refrigerados por agua de mar bombeada a razón de 4.000 litros/s. La segunda foto muestra el vapor que se produce en el mar en los puntos de salida del agua de refrigeración.
Disponer en cualquier parte de geotermia de alta temperatura en pocos años, como propone Quaise, sólo depende de que tenga éxito el desarrollo del sistema de perforación. Integrar la nueva energía en las centrales convencionales existentes aseguraría una transición muy rápida desde los combustibles fósiles, con lo que se daría un vuelco al cambio climático. Esperamos que el proyecto tenga éxito.
El pasado 9 de noviembre, IBM presentó el nuevo procesador cuántico Osprey con 433 qbits, que más que triplican los del procesador Eagle presentado en 2021. IBM Osprey tiene una capacidad computacional muy superior a la de cualquier ordenador clásico. El número de bits clásicos necesarios para representar un estado de IBM Osprey supera mucho el número total de átomos del universo conocido.
Darío Gil, vicepresidente de IBM y director de investigación, Jay Gambetta, investigador cuántico y Jerry Chow, director del grupo cuántico experimental. Imagen IBM.
En la reunión anual del grupo cuántico de la compañía, IBM Quantum Summit 2022, IBM ha dado a conocer los desarrollos previstos en el futuro inmediato que culminarán en 2025 con un procesador de más de 4.000 qbits. Asimismo, IBM sigue trabajando para mitigar el «ruido de fondo» y controlar los errores que se producen en los ordenadores cuánticos, para lo que es necesario disponer de un gran número de qbits. También ha informado de nuevas incorporaciones a su red cuántica de clientes, su «ecosistema cuántico»: Bosch, multinacional alemana, quiere explorar nuevos usos cuánticos, Vodafone trabajar en criptografía cuántica segura, Crédit Mutuel Alliance Fédérale, banco francés, en servicios financieros y el Campus de Innovación Suizo de Basilea promover proyectos de innovación en computación cuántica.
Hay que esperar ahora la reacción de competidores como Google o China, en la carrera por conseguir el ordenador cuántico que permita pasar a una nueva escala en la capacidad de computación o la seguridad en las comunicaciones.
El premio Nobel de Química 2022 ha correspondido a K. Barry Sharpless, Scripps Research, La Jolla, CA, USA, Morten Meldal, University of Copenhagen, Denmark y Carolyn R. Bertozzi, Stanford University, CA, USA, por, «el desarrollo de la química click y la química bioortogonal», según declaró la Academia Sueca de Ciencias el pasado 5 de octubre de 2022.
Química click se refiere a un tipo de reacciones en las que pequeñas moléculas permiten la unión de otras mayores, como las biomoléculas. La forma de generar productos sigue ejemplos de la naturaleza. Las reacciones click se producen muy rápidamente y no generan productos secundarios indeseados. Se han utilizado en síntesis de fármacos y en la detección, localización y caracterización de biomoléculas como las proteínas.
El nombre química click (click chemistry) fue utilizado por primera vez en 1998 por K. Barry Sharpless. Poco después, Sharpless y Meldal presentaron, independientemente uno del otro, la que es la principal reacción click de las conocidas hasta ahora: la cicloadición azida-alquino catalizada por cobre. Es una reacción eficiente, de uso muy general, que se utiliza, por ejemplo, en la fabricación de fármacos o en el mapeo de ADN.
Química bioortogonal es un término utiizado por Carolyn R. Bertozzi desde 2003, para describir aquellas reacciones químicas que tienen lugar dentro de los seres vivos pero sin perturbar los procesos bioquímicos naturales. Es un tipo de química click que desarrolló Bertozzi para caracterizar glicanos, importantes biomoléculas de la superficie de las células. Ahora se utiliza para explorar células y realizar el seguimiento de procesos biológicos. Con esta técnica se han obtenido fármacos contra el cáncer, de los que se están realizando ensayos clínicos.
Enlace bioortogonal entre la biomolécula X y el reactivo Y. Imagen Wikimedia Commons
Es de remarcar que K. Barry Sharpless es la segunda vez que recibe el Nobel de Química. En 2001 fue galardonado «por su trabajo en catálisis quiral de reacciones de oxidación».
La empresa estatal de energía de Italia, ENI y el Massachusetts Institute of Technology de Estados Unidos, MIT, proyectan tener funcionando en 2025 una planta de fusión construida conjuntamente, en Estados Unidos. Durante la pasada Maker Faire, feria tecnológica de Roma de 7, 8 y 9 de octubre de 2022, Monica Spada, jefe de investigación e innovación tecnológica del ENI, habló de 2025 como el plazo para completar el proyecto que ponga de manifiesto la viabilidad de la energía nuclear de fusión obtenida por confinamiento magnético en el reactor SPARC, tipo tokamak, e incluso dijo que en 2028 podría disponerse ya de un sistema completo de distribución de energía del mismo origen.
SPARC, el modelo de tokamak de este proyecto es de tamaño medio comparado con los tokamak existentes, pero con un campo magnético mucho más fuerte. Se espera que tenga una potencia de fusión de 50-100 MW y un factor Q, relación entre la energía obtenida y la energía empleada mayor de 10. El éxito de este modelo sería la primera demostración de ganancia neta de energía y validaría la estrategia de fuertes campos magnéticos conseguidos con los últimos superconductores de alta temperatura.
Un hito muy importante para este proyecto se logró el 5 de septiembre del año pasado, 2021, cuando el MIT y la empresa Commonwealth Fusion Systems, CFS, consiguieron un campo magnético de 20 tesla, el mayor campo magnético nunca conseguido en estos ingenios, necesario para confinar el combustible nuclear, deuterio y tritio, isótopos del hidrógeno, a suficiente temperatura como para provocar la fusión. Utilizaron nuevos materiales superconductores a alta temperatura que se comercializan desde hace pocos años y permiten mayor intensidad de campo magnético en menos espacio. Otras instalaciones del mismo tipo, como el ITER, el mayor proyecto internacional de fusión, que se construye en Cadarache, Francia, utilizan superconductores de bajas temperaturas, lo que hace más complicada la construcción y la utilización.
