El premi Nobel de Química 2023 ha estat per Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus i Alexei I. Yekimov per «el descobriment i síntesi dels punts quàntics» segons l’anunci de l’Acadèmia Sueca de Ciències. Els punts quàntics són cristalls de nanopartícules formades per uns pocs milers d’àtoms que presenten diferents propietats òptiques i electròniques en funció de la seva grandària.
Alexei I. Yekimov treballa des de 1999 a Nanocrystals Technology, New York State. Graduat en física per la universitat de Leningrad i doctorat per l’Institut Ioffe de l’Acadèmia Russa de Ciències. El 1981 va descobrir els efectes quàntics associats a la grandària en nanopartícules de cristalls de clorur de coure.
Louis E. Brus treballa a la universitat de Columbia, Estats Units. Va estudiar química a la universitat Rice, Houston, Texas i va fer el doctorat a la universitat de Columbia, New York. El 1973 va començar a treballar als laboratoris Bell en nanocristalls semiconductors, el que el va portar a la síntesi química de punts quàntics en fase col·loidal. A la dècada de 1980 va provar els efectes quàntics dependents de la grandària a nanopartícules flotant lliurement en un fluid.
Moungi G. Bawendi treballa al Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, MA, USA. Nascut a París, França, el seu pare era matemàtic tunisià. Va estudiar química a la universitat de Harvard, Estats Units i va fer el doctorat a la universitat de Chicago. Després va treballar als laboratoris Bell, on Louis Brus el va introduir a la investigació dels punts quàntics. El 1993 va revolucionar la producció de punts quàntics creant partícules quasi perfectes, qualitat necessària per la tecnologia de nanopartícules.
Dels vidres de colors a les nanopartícules de colors
L’any 1979, Alexei Yekimov i el seu equip del Vavilov State Optical Institute de Sant Petersburg, Rússia, treballaven amb vidres dopats amb metalls, utilitzant l’històricament ben conegut efecte dels colors que s’aconseguien afegint petites quantitats de metalls a la massa del vidre. Dopant el vidre amb petites quantitats de CuCl (clorur cuprós), lleugerament per sobre de la seva solubilitat en el medi, escalfant la mescla fins a 500 o 700 ºC durant un temps entre 1 i 96 hores i baixant després la temperatura fins a 4,2 K, observaren l’aparició d’un espectre de llum similar al de làmines primes de CuCl però que variava segons la temperatura i la durada de l’escalfament. Amb espectroscòpia de raigs X van detectar la formació de cristalls de CuCl de grandàries entre 2 i 30 nm (nanòmetres). Van observar que el color dels cristall depenia de la seva grandària, els més grans emetien llum de color vermell i els més petits de color blau. Això va ser interpretat per Yekimov com un efecte quàntic segons el qual la longitud d’ona més llarga, vermella, era el resultat del pas de la llum incident per una partícula més gran, mentre que l’ona més curta, blava, es formava en la partícula més petita.
Poc després del treball de Yekimov i independentment d’ell, Louis Brus, treballant als Laboratoris Bell dels Estats Units, s’interessava en desenvolupar reaccions catalitzades per energia solar mitjançant petites partícules de CdS (sulfur de cadmi) en suspensió. Les partícules havien de ser quan més petites millor, ja que així presentaven més superfície d’interacció i milloraven les seves qualitats catalítiques. Va obtenir partícules col·loidals de entre 4,5 i 12,5 nm de diàmetre i va observar un diferent comportament respecte la llum: les partícules de 12,5 nm absorbien llum i l’emetien tal com el CdS fa habitualment, però les partícules més petites, de 4,5 nm mostraven un color desplaçat cap el blau. Brus va publicar els seus resultats el 1983 i va entendre, igual que Yekimov anys abans, que havia descobert efectes quàntics lligats a la grandària de les partícules col·loidals.
El descobriment de Yekimov i Brus obria grans possibilitats a la química dels materials, Era com si els àtoms de la taula periòdica adquirissin una nova dimensió: el color dels seus compostos quan es presentaven en forma de partícules molt petites, de l’ordre dels nanòmetres, en estat sòlid o en forma col·loidal, depenia justament de la grandària de les partícules. Hi havia però un inconvenient per solucionar. Les partícules sòlides o col·loidals tenien grandàries molt diverses i es presentaven totes juntes. Per treure profit de la nova propietat descoberta calia trobar el procediment mitjançant el qual es formessin partícules de la grandària adequada i totes o la gran majoria iguals per assegurar la qualitat òptica del conjunt.
Creació de nanopartícules perfectes
Moungi Bawendi va començar a treballar amb Louis Brus el 1988 com investigador postdoctoral. Es va proposar obtenir nanopartícules de grandària uniforme que assegurés la seva qualitat per aplicacions. Utilitzant diferents dissolvents, rangs de temperatura i tècniques va millorar la uniformitat de les partícules obtingudes, però sense arribar a la qualitat òptica que es requeria. Alguns anys després, quan Bawendi ja tenia el seu grup d’investigació al MIT (Massachusetts Institute of Technology) va continuar els treballs. Introduint prou quantitat de substància per saturar la solució calenta que donarà lloc a les nanopartícules, aconseguia començar a formar els embrions dels cristalls tots a la vegada. Baixant de sobte la temperatura i diluint la solució s’aturava la formació de cristalls. Reescalfant de nou i afegint lentament nova substància s’aconseguia fer créixer uniformement els cristalls fins a la grandària desitjada. El procediment trobat per Bawendi i el seu equip, publicat el 1993, permetia obtenir nanopartícules de grandària precisa, quasi perfectes, d’una bona quantitat de substàncies en forma reproduïble.
Aplicacions dels punts quàntics
Trenta anys després de la publicació de Bawendi, els punts quàntics es troben a les pantalles de televisors i ordinadors basades en la tecnologia QLED o a les llums LED de color variable. També s’utilitzen en bioquímica i medicina, per «mapejar» cèl·lules i òrgans o per rastrejar teixits tumorals en un organisme.
Pantalla de televisor Samsung amb tecnologia QLED. Imatge Wikimedia Commons
El Nobel de Física ha estat concedit aquest any a Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier “per a mètodes experimentals que generen polsos de llum d’attosegons per a l’estudi de la dinàmica dels electrons en la matèria”. Quasi es pot dir que el seu descobriment permet veure els electrons dins l’àtom i a les interaccions entre àtoms.
1 attosegon = 10 (-18) segons, segons mostra la imatge
Anne L’Huillier és professora de física atòmica a la universitat de Lund, Suècia, des de 1997. De formació física i matemàtica va fer el doctorat en física experimental a la universitat Marie et Pierre Curie de París i va treballar en diferents centres de investigació de Suècia, Estats Units i França. En 1992 va treballar en un dels primers experiments de polsos de làser d’attosegons fets a Europa.
Pierre Agostini és professor emèrit de física experimental a la universitat d’Ohio, Estats Units. Va fer el doctorat a la universitat d’Aix-Marsella i després va treballar al centre d’investigació CEA-Paris-Saclay, França fins 2002. El 2001 Agostini i el seu equip van crear un pols de 250 attosegons de durada, combinant ultracurts polsos de llum ultraviolada amb llum infraroja.
Ferenc Krausz, director de l’Institut Max Planck d’Òptica Quàntica des de 2003 i professor de la universitat Ludwig Maximilian des de 2004 a Munich, Alemanya. Va estudiar física teòrica a la universitat Eötvös Loránd i enginyeria elèctrica a la universitat Tècnica de Budapest, Hongria. El 2001, Krausz i el seu equip van seleccionar un únic pols de 650 attosegons que van utilitzar per rastrejar com els electrons eren separats dels seus àtoms.
Ones estacionàries
Quan es produeix una vibració, a una corda de guitarra, per exemple, el rebot de l’ona als extrems de la corda fa que es combinin la vibració d’anada i de tornada creant el que s’anomena una ona estacionària (a la figura apareixen com «overtones» en anglès), o múltiples quan continua la vibració.
Els salts electrònics creen ones estacionàries
Anne L’Huillier a la dècada dels 1990’s estudia com actua la llum làser amb els àtoms d’un gas noble. Quan les ones de làser s’acosten a l’àtom fan variar el camp electromagnètic que manté l’electró a prop del nucli atòmic i el fan pujar fins a un nivell més alt d’energia, caient després de nou al seu nivell d’energia estable i emetent l’energia que havia guanyat en el salt en forma de pols de llum. Aquests salts i emissions es produeixen contínuament mentre duren l’acció de les ones làser sobre els àtoms i la combinació de les emissions produeixen les ones estacionàries que apareixen als experiments. La figura següent, de l’Acadèmia Sueca de Ciències mostra aquest fenómen.
Les investigacions posteriors de Pierre Agostini i Ferenc Krausz a partir de l’any 2000 van aconseguir controlar els polsos de llum i fins i tot aïllar un sol pols que permetia estudiar com un electró era obligat a saltar a un nivell d’energia superior en un àtom. Aquests experiments demostraren com es podien observar i mesurar els polsos d’attosegons. Més tard es van aconseguir polsos d’unes poques dotzenes d’attosegons amb els que és possible seguir el moviment dels electrons dins dels àtoms o en les reaccions químiques, quan interacciona un àtom amb uns altres.
Katalin Karikó i Drew Weissman han obtingut el Nobel de Medicina 2023, segons va anunciar el dilluns 2 d’octubre l’Acadèmia Sueca de Ciències. Nobel esperat des del desenvolupament de la vacuna d’ARN contra la Covid-19, en les versions de les empreses Pfizer-BioNTech i Moderna.
El premi Nobel els ha estat concedit «per els descobriments de les modificacions de les bases de nucleòsids que permeteren el desenvolupament de les vacunes de ARNm eficaces contra la Covid-19» segons l’Acadèmia Sueca. No és, per tant, un Nobel per la vacuna, sinó per el descobriment cabdal efectuat el 2005 de la forma d’evitar la temuda resposta immunitària que es produïa a les proves que estaven realitzant de vacunes basades en l’ARN.
Des de 1980, els eficients mètodes per produir ARNm (ARN missatger) sense haver de fer cultius cel·lulars, les anomenades transcripcions in vitro, van fer pensar en utilitzar l’ARNm per vacunes i altres mètodes terapèutics. Però dificultats com la possible inestabilitat d’aquest ARNm, el transport amb sofisticats encapsulacions amb lípids i el greu risc de reaccions inflamatòries degudes a la resposta immunitària van refredar les expectatives. A la dècada dels 1990’s, Katalin Karikó, professora assistent aleshores a la universitat de Pennsilvània, estava convençuda de les possibilitats de l’ARNm. Quan el seu departament es va quedar sense finançament el 1995, va haver d’interrompre les seves investigacions i no va ser fins dos anys després, 1997, quan va acceptar treballar al departament de Drew Weissman, professor d’immunologia que acabava d’obtenir una plaça a la mateixa universitat.
La majoria de científics van continuar però sent escèptics a les aplicacions mèdiques de l’ARNm. L’aparició del coronavirus de la Covid-19 va ser l’ocasió de demostrar-les. BioNTech i Moderna, empreses que havien comprat la llicència de la patent del descobriment de Karikó i Weissman el 2013, van fabricar les vacunes amb els espectaculars resultats ben coneguts.
Katalin Karikó ha estat nomenada novament professora de les universitats de Pennsilvània i de Szeged a Hungria on va estudiar biologia, el 2021. Drew Weissman ha estat vinculat a la universitat de Pennsilvània com a professor i investigador des de 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/
El 23 d’octubre serà el centenari del naixement de Joan Oró, el científic català més important del segle XX. L’any 2023 ha estat declarat l’any Joan Oró per la Generalitat de Catalunya. El Departament de Recerca i Universitats de la Generalitat i la Fundació Joan Oró impulsen els actes de celebració.
Cartell de l’exposició “Joan Oró, el científic de la vida”. Imatge treta de Departament de Cultura. Generalitat de Catalunya
La síntesi de l’adenina l’any 1959, a partir d’àcid cianhídric, aigua i amoníac va ser el seu gran descobriment. L’adenina és una de les quatre bases que donen suport físic al codi genètic contingut a l’ADN. El descobriment era un pas endavant, juntament amb el conegut experiment de Miller i Urey de síntesi d’aminoàcids a partir d’aigua, metà, amoníac i hidrogen, per demostrar que la vida es pot formar espontàniament a qualsevol lloc de l’univers quan es donen determinades condicions, teoria coneguda amb el nom de panspermia, de la qual Oró va ser un dels impulsors.
Adenina. Imatge Wikimedia Commons
Els seus treballs per la NASA, entre 1963 i 1994, per determinar si hi havia vida a la Lluna o a Mart, que van donar negatiu, va ser un altre vessant de la vida científica de Joan Oró.
Però quan es mira la seva vida amb la perspectiva del temps, a mi em crida l’atenció sobretot la perseverança i determinació del jove universitari que, acabada la carrera de química l’any 1947, lluita per poder dedicar-se a la investigació de l’origen de la vida. Envia cartes de petició de beca per a fer el doctorat a més de 50 universitats americanes. Pensem en el que és fer això per correu postal, esperar una resposta que es podia demorar durant mesos o no arribar mai, respondre a la seva vegada i tornar a esperar nova resposta. Sis respostes van ser positives i ell es va decidir per el Rice Institut de Houston per fer un doctorat en enginyeria química. I cap als Estats Units se’n va anar el 1952, amb els seus rudimentaris coneixements d’anglès, deixant la seva dona i tres fills a Lleida.
El gener de 1953, un cop de sort li va fer canviar d’universitat i de tema de doctorat, començant a investigar la bioquímica de les cèl·lules intestinals a l’Escola de Medicina de Baylor. El 1957, ja com a professor a Houston, va poder fer anar la seva família, a la que no havia vist en 5 anys, als Estats Units. El desembre de 1959 va descobrir la síntesi de l’adenina a partir de l’àcid cianhídric. En set anys havia donat un tomb a la seva vida i s’havia convertit en un científic prestigiós. El jove talent havia fructificat en el país que va saber donar-li acollida.
Dir molècules és parlar dels maons que constitueixen la major part de les coses que ens envolten i fins i tot de la matèria de la que estem fets nosaltres mateixos. Construir molècules en aquest article es refereix a les molècules orgàniques que formen molts materials que utilitzem quotidianament, o que vestim, o dels que ens alimenten o prenem com a medicaments. La construcció de molècules l’estudia la química orgànica de síntesis, que s’ha desenvolupat en els darrers 200 anys. Els dos darrers premis Nobel, de 2021 i 2022, han premiat dos nous mètodes de síntesi orgànica, l’organocatàlisi asimètrica i la química click, desenvolupats en els darrers 25 anys.
Alguns exemples històrics de síntesis orgàniques
Urea, és el fertilitzant de més consum en el món agrícola. Aporta nitrogen a les plantes. Friedrich Wöhler, químic alemany, la sintetitzà el 1828, quan encara es pensava que els productes orgànics es podien sintetitzar només a l’interior dels éssers vius.
Síntesi de la urea a partir de l’isocianat d’amoni. Imatge Wikimedia Commons
Porpra de Perkin, o mauveïna, va ser el primer colorant sintètic, obtingut el 1856 per William Henry Perkin, químic britànic. La fabricació de colorants sintètics a partir de l’anilina va ser la base de l’empresa BASF, fundada a Mannheim, Baden-Wurtemberg, Alemanya, que el 1869 es va avançar en un dia a Perkin en patentar la síntesi de l’alizarina, colorant també basat en l’anilina. BASF és ara a Ludwigshafen, Renània-Palatinat, Alemanya, propera a Mannheim, a l’altre costat del Rhin.
BASF a Ludwigshafen, Alemanya, el 1865. Imatge Wikimedia Commons
Aspirina Bayer, 1899. Imatge Wikimedia Commons
Aspirina, o àcid acetilsalicílic. Des de temps immemorial es coneixia l’efecte de l’extracte d’escorça de salze contra la febre i per alleugerir el dolor. El 1829, el químic francés Henri Leroux va extreure l’àcid salicílic de l’escorça del salze. Però l’àcid salicílic tenia inconvenients com el seu sabor molt amarg i que provocava irritació d’estómac, per el que es van cercar derivats que no presentessin aquests inconvenients. Charles Frédéric Gerhardt, químic francès, sintetitzà l’àcid acetilsalicílic el 1853. El 1897, Felix Hoffmann de l’empresa alemanya Bayer millorà el procediment obtenint-lo amb gran puresa i comercialitzant-lo amb el nom d’aspirina.
Joan Oró i Florensa. Imatge Wikimedia Commons
Adenina, molècula que forma part dels àcids nucleics, portadors del codi genètic i essencials per la vida. Va ser sintetitzada el 1959 a partir de l’àcid cianhídric per Joan Oró, bioquímic català nascut el 1923 a La Bordeta, Lleida. La seva síntesi a partir d’un producte inorgànic, va contribuir a fonamentar el raonament de que les molècules clau per la vida es podien formar a partir de substàncies simples, a la Terra o fora d’ella. El primer pas d’aquest raonament va ser el famós experiment de Stanley Miller i Harold Urey que el 1953 van mostrar com, a partir d’aigua, metà, amoníac i hidrogen, es podrien haver format espontàniament diferents aminoàcids, els maons bàsics de les proteïnes, a l’atmosfera de la Terra primigènia.
Molècules que són imatge en el mirall d’una altra
La natura construeix molècules dins els éssers vius utilitzant els enzims, substàncies molt complexes que tenen la capacitat de provocar la reacció necessària per a obtenir una molècula específica. Quan els químics han imitat a la natura construint aquestes molècules, s’han trobat moltes vegades que es produïen alhora productes indesitjats. O també que moltes molècules existeixen en dues versions que són una la imatge en un mirall de l’altre i amb algunes propietats molt diferents. Per exemple, el limonè, substància natural que dona l’aroma característic dels cítrics, existeix en dues formes, una imatge especular de l’altra. La diferència entre les dues és que, mentre una té un aroma a llimona, l’altra la té a taronja. Però de vegades, la diferència pot portar altres conseqüències molt més greus.
Talidomida. Imatge Wikimedia Commons
A la dècada de 1960 es va produir l’escàndol de la talidomida, fàrmac comercialitzat per l’empresa alemanya Grünenthal GmbH, que es receptava a les embarassades com a sedant o per prevenció de les nàusees. La molècula de talidomida també es pot presentar en dues formes, que són imatge especular una de l’altra. S’havia utilitzat en molts països des de 1957 fins a 1963, quan es va fer palès que produïa malformacions congènites en els nounats. En el procés de fabricació s’obtenia una mescla de les dues formes, però era una sola la que produïa les malformacions. Es van produir uns 10.000 casos en tot el món, les conseqüències dels quals encara s’arrosseguen.
França i els Estats Units no van autoritzar la venda del medicament per les incerteses quan a la seguretat del medicament, que van ser ignorades en altres països, entre ells Espanya. Des del 02.02.2023 es torna a utilitzar la talidomida a la sanitat pública espanyola. Està autoritzada per malalts de mieloma múltiple, un tipus de càncer de la sang. Això ha fet revifar les queixes dels afectats de fa 60 anys que encara tenen pendents els ajuts promesos.
Organocatàlisi
El premi Nobel de química 2021 va ser donat a Benjamin List, Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr, Germany i a David W.C. MacMillan, Princeton University, USA per «el desenvolupament de l’organocatàlisi asimètrica».
Primera reacció d’organocatàlisi: Justus von Liebig, químic alemany que va desenvolupar la química dels fertilitzants i va fundar una empresa de fabricació d’extractes de carn, va fer l’any 1860 la primera reacció que ara podríem anomenar d’organocatàlisi, la síntesi de l’oxamida, utilitzant acetaldehid com a catalitzador. L’oxamida és un fertilitzant alternatiu a la urea, que allibera nitrogen més lentament. Els catalitzadors que es van emprar posteriorment en síntesi orgànica van ser però metalls o enzims, no es va considerar la idea de cercar substàncies orgàniques que poguessin actuar com a catalitzadors.
1a reacció d’organocatàlisi de Justus von Liebig el 1860. Imatge Wikimedia Commons
Moltes industries depenen de la capacitat dels químics per a construir noves i funcionals molècules. Avui dia es necessiten noves substàncies, per exemple, per a capturar llum en cèl·lules solars o emmagatzemar energia en bateries, o fabricar sabates de córrer més lleugeres o inhibir el progrés d’una malaltia dins del cos, . . .
Benjamin List (Frankfurt, Alemanya, 1968), després d’acabar el doctorat a Frankfurt l’any 1997, va anar a treballar a l’Institut Scripps, La Jolla, Califòrnia, en anticossos catalítics. Modificava els anticossos per fer que tinguessin capacitat per catalitzar reaccions. Pensant en com treballaven els enzims i veient que l’efecte catalític el feia moltes vegades un determinat aminoàcid de l’enzim, per exemple, la prolina, es demanà si aquest aminoàcid per sí sol podria tenir el mateix efecte catalític.
List aconseguí demostrar amb els seus experiments que la prolina no només és un bon catalitzador, sinó que és capaç de fer una catàlisi asimètrica, generant molt majoritàriament un dels dos possibles productes finals que són imatge especular un de l’altre.
Una mica més al Nord, David MacMillan arribava a la universitat de Berkeley el 1998. Procedia de Harvard on havia treballat en catàlisi asimètrica utilitzant metalls com a catalitzadors. El cridava l’atenció que els catalitzadors que ell utilitzava al laboratori no eren útils per a la indústria, ja que el canvi d’escala feia que fossin cars i difícils de manipular. En el seu treball a Berkeley va deixar de banda els metalls i es va centrar en aconseguir molècules orgàniques relativament simples, que fessin el paper dels metalls, subministrant o capturant electrons en el curs d’una reacció. Va pensar que l’ió imini (doble enllaç C=N), que té la capacitat de baixar la barrera d’energia per permetre que es desenvolupin algunes reaccions, podria actuar com un catalitzador orgànic asimètric. MacMillan va provar l’imini com a catalitzador d’una reacció, anomenada de Diels-Alder, que utilitzen els químics per a construir anells de carbonis i va obtenir resultats de catàlisi asimètrica que donaven un 75% del producte final específic buscat. Esperant millorar els resultats, va continuar treballant durant sis mesos, amb el neguit de que algun altre grup s’avancés a la publicació. MacMillan diu que van ser els sis mesos més estressants de la seva vida. Finalment va aconseguir més del 90% del producte final buscat i va publicar el resultat.
MacMillan s’adonà que havia descobert un nou mètode de catàlisi basat en petites molècules orgàniques. Altres investigadors, com el cas de Justus von Liebig citat abans, havien publicat en el passat alguna reacció de catàlisis orgànica, però no havien pensat que el mètode es podia generalitzar.
List i MacMillan van enviar els seus resultats a la revista Journal of the American Chemical Society a principi de l’any 2000, amb un mes de diferència, i van ser publicats poc després, al febrer i a l’abril. MacMillan a la seva publicació empra per primera vegada el terme organocatàlisi, posant nom a un nou camp de la catàlisi química. Des de l’any 2000, s’han descobert gran quantitat de catalitzadors orgànics barats i estables per ser utilitzats en una gran varietat de reaccions. MacMillan i List han mantingut però una posició de lideratge en aquest camp.
L’organocatàlisi millora el rendiment i simplifica el procés de construcció de molècules. Un cas paradigmàtic és la síntesi de l’estricnina, alcaloide de gran toxicitat que s’utilitza com pesticida contra ocells i rosegadors. A finals del segle XIX i principis del XX va ser provada per potenciar el rendiment dels atletes o com una cura per a l’alcoholisme. La síntesi de l’estricnina, aconseguida per Robert Burns Woodward, químic dels Estats Units, en 1957, implicava 29 reaccions químiques diferents i només el 0,0009 del material emprat es transformava en estricnina. El 2011, va ser aconseguida la síntesi amb organocatàlisi, mitjançant 12 reaccions en cascada i amb un rendiment 7000 vegades superior.
L’organocatàlisi ha tingut un gran impacte en la producció de medicaments. Moltes vegades la síntesi d’un producte farmacèutic dona dos productes alhora, que són un imatge especular de l’altre, i només un te valor com a medicament. Si l’altre no actua, però és innocu, es poden subministrar tots dos alhora, però de vegades l’altre te efectes secundaris indesitjats, com en el cas citat de la talidomida. L’organocatàlisi pot ser en molts casos asimètrica, fent que es produeixi només el producte que ens interessa i no la seva imatge especular.
Éxits de l’organocatàlisi han estat: – Permetre l’obtenció de nous fàrmacs que abans només podien ser obtingudes en petites quantitats de plantes rares o d’organismes del fons marí. – Optimitzar la producció de fàrmacs com la paroxetina, medicament per l’ansietat i la depressió. – O l’antiviral osetalmivir, que s’utilitza per tractar infeccions respiratòries. – El disseny de molècules de les que es vol provar l’activitat biològica. Molts departaments universitaris i moltes empreses farmacèutiques utilitzen rutinàriament l’organocatàlisi per construir estructures moleculars sobre les que van provant diferents grups funcionals fins a tenir un conjunt de molècules entre les que decidiran quines es provaran al laboratori.
Química click
El premi Nobel de química 2022 ha estat donat a K. Barry Sharpless, Scripps Research, La Jolla, CA, USA, Morten Meldal, University of Copenhagen, Denmark i Carolyn R. Bertozzi, Stanford University, CA, USA, per, «el desenvolupament de la química click i la química bioortogonal», segons va declarar l’Acadèmia Sueca de Ciències el 5 d’octubre de 2022.
Química click es refereix a un tipus de reaccions en les que unes petites molècules escollides permeten la unió d’altres més grans, com les biomolècules. La forma de generar productes segueix exemples de la natura. Les reaccions click es desenvolupen molt ràpidament i no generen productes secundaris indesitjats. S’han utilitzat en síntesi de fàrmacs i en la detecció, localització i caracterització de biomolècules com les proteïnes. El nom química click (click chemistry) va ser utilitzat per primera vegada en 1998 per K. Barry Sharpless.
L’any 2002, Meldal primer i Sharpless pocs mesos després, publicaren independentment un de l’altre la que és la principal reacció click de les conegudes fins ara: una azida (grup de 3 àtoms de nitrogen) reacciona amb un alquí (grup de 2 àtoms de carboni amb un triple enllaç) formant un anell (cicle) de 5 àtoms, els 3 de nitrogen i els 2 de carboni. La reacció te lloc en presència d’ions de coure, que actuen com a catalitzador. Com mostra la gràfica de més amunt, si els químics volen unir dues molècules, unint prèviament una azida a una molècula i un alquí a l’altra i posant ions coure com a catalitzador, poden aconseguir fàcilment unir ambdues molècules mitjançant la reacció click azida – alquí.
La simplicitat de la reacció click l’ha fet molt popular, tant en investigació, per a produir nous materials, com a la indústria. Si un fabricant agrega una azida clicable a un plàstic o fibra, canviar el material en una etapa posterior pot ser molt fàcil. Així es pot fer click en substàncies que condueixen l’electricitat, capturen la llum del Sol, són antibacterianes, protegeixen de la radiació ultraviolada o tenen altres propietats, afegint aquestes propietats a les del plàstic o fibra.
Meldal i Sharpless van reconèixer i van donar a conèixer l’enorme potencial de la química click, però no van pensar en les aplicacions a éssers vius, que va començar a desenvolupar Carolyn R. Bertozzi.
Química bioortogonal és un terme utilitzat per Carolyn R. Bertozzi des de 2003, per descriure aquelles reaccions químiques que tenen lloc dins dels éssers vius però sense interferir amb els processos bioquímics naturals.
Bertozzi estava interessada en estudiar el paper que juguen els glicans, un tipus de sucres, en infeccions víriques i en accions del sistema immune. Va aconseguir marcar els glicans que es posen a la superfície de la cèl·lula amb una reacció click. Les cèl·lules canceroses utilitzen els glicans per restar emmascarades davant del sistema immune. Tenint marcats els glicans, Bertozzi ha desenvolupat un fàrmac, ara en fase de proves clíniques, que permet destruir els glicans i així desemmascarar les cèl·lules canceroses. Veure la informació detallada sobre Carolyn Bertozzi en aquest mateix blog a https://www.deciencia.net/descobriment/?p=1947
Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles “Sopa d’estrelles” del 22 de febrer de 2023.
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 article publicat per Meldal sobre la primera reacció click, any 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 article publicat per Sharpless sobre la primera reacció click, any 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 és una de les científiques més destacades del moment. Aquest article la vol mostrar com a representant de les dones científiques i exemple per les joves i les nenes en el dia 11 de febrer, Dia de la Dona i la Nena a la Ciència 2023.
Química click
Carolyn R. Bertozzi, Stanford University, CA, USA, va ser la guanyadora del premi Nobel de química 2022, juntament amb K. Barry Sharpless, Scripps Research, La Jolla, CA, USA i Morten Meldal, University of Copenhagen, Denmark, per «el desenvolupament de la química click i la química bioortogonal».
Química click es un tipus de reaccions, desenvolupades inicialment per Sharpless i Meldal, en les que unes petites molècules permeten la unió d’altres més grans, com les biomolècules. Veure article Química click en aquest mateix blog. Carolyn Bertozzi fa un pas més i adequa la química click a reaccions que tenen lloc dins dels éssers vius, però sense interferir en els processos bioquímics naturals. Anomena els seus procediments química bioortogonal.
Bertozzi estava interessada, des dels inicis dels 1990’s, en «mapejar» els glicans, un tipus de sucres que juguen un paper en molts processos biològics, com les infeccions víriques o l’actuació del sistema immune. Pensava que poder seguir la posició dels glicans a la superfície de les cèl·lules o de les proteïnes, donaria informació clau per tractar determinades malalties. Per fer-ho hauria d’afegir als glicans alguna petita molècula que no interferís en les seves funcions a l’interior de la cèl·lula. Entre 1997 i 2000, Bertozzi va modificar una reacció ben coneguda, la reacció de Staudinger, per afegir una azida (grup de 3 àtoms de nitrogen) als glicans. L’azida no interfereix amb els processos cel·lulars.
A la mateixa època, es començava a estendre la idea de la química click de Meldal i Sharpless, per el que Bertozzi sabia que l’azida podia reaccionar fàcilment amb un grup alquí (grup de 2 àtoms de carboni amb un triple enllaç), mitjançant una reacció click. El problema era que la reacció havia de ser catalitzada per ions coure i això la feia inviable a l’interior dels éssers vius, per la toxicitat dels metalls. Investigant a la literatura científica, Bertozzi va trobar que, al 1961 s’havia descrit una reacció entre una azida i un alquí situat dins d’un anell, una estructura cíclica, que es produïa espontàniament, quasi en forma explosiva, sense cap catalitzador. Ja tenia la forma de fer reaccionar l’azida dels glicans quan eren a l’exterior de les cèl·lules i, per tant, marcar la posició dels glicans.
Al seu laboratori va provar que la reacció click entre l’azida afegida als glicans i un alquí dins d’un anell es produïa espontàniament, sense necessitat de catalitzador i que no interferia amb els sistemes biològics. Va anomenar aquesta reacció bioortogonal, obrint el camí per altres reaccions similars que no interferissin en els processos cel·lulars. El resultat el va publicar l’any 2004. Des d’aleshores, Bertozzi i molts altres investigadors han utilitzat aquesta reacció per explorar com les biomolècules interactuen amb la cèl·lula i per estudiar com es desenvolupen algunes malalties.
Bertozzi ha focalitzat la seva investigació en els glicans que se situen a la superfície de les cèl·lules canceroses, emmascarant-les i protegint-les de l’acció del sistema immune del cos. Per a bloquejar aquesta protecció ha preparat, mitjançant l’empresa Palleon Pharmaceuticals, creada per ella, un fàrmac que és un anticòs específic de glicans que s’uneix als enzims que descomponen els glicans de la superfície de les cèl·lules tumorals. Aquest fàrmac és ara, 2023, en fase de proves clíniques en malalts amb càncers avançats. En declaracions del passat 10 de gener al diari El País, Bertozzi el descriu com un «tallagespa» que talla els glicans que emmascaren les cèl·lules tumorals.
Semblança biogràfica
Carolyn Bertozzi en 2022. Imatge Wikimedia Commons
Carolyn Bertozzi va néixer el 10 d’octubre de 1966 i va créixer a Lexington, ciutat molt propera a Boston, Massachusetts, Estats Units. El seu pare, William, fou professor de física al Massachusetts Institute of Technology, MIT. A casa sempre va haver un ambient científic. El pare tenia la idea de que Carolyn i les seves dues germanes farien la carrera i el doctorat al MIT amb una mescla d’orgull i promesa de matrícula gratuïta. Però Andrea, la germana gran va escollir Princeton i Carolyn va anar a Harvard, amb gran consternació del pare.
Carolyn va començar la carrera a Harvard el 1984 i va aprofitar la seva habilitat amb el teclat tocant en diferents bandes universitàries de rock. Però es va centrar en els estudis de ciències, primer biologia i després química, en la que es va llicenciar. Particularment li va agradar la química orgànica.
Per fer el doctorat va escollir la universitat de Califòrnia, Berkeley CA, on va treballar en la síntesi d’oligosacàrids, un tipus de sucres. A Berkeley va descobrir que els virus poden unir-se als sucres dins del cos, el que la va portar al que ha estat el seu principal camp d’investigació, la glicobiologia. Acabat el doctorat el 1993, va anar a la universitat de Califòrnia, San Francisco, on va treballar en la modificació de proteïnes i sucres de les parets cel·lulars, per tal que les cèl·lules acceptessin materials estranys. El 1996 va tornar a la universitat de Califòrnia, Berkeley CA com a membre de la facultat de química.
Des de l’any 2004 ha utilitzat els procediments de la química bioortogonal, ideada per ella mateixa. Després de passar per prestigiosos centres d’investigació, l’any 2015 va anar a l’institut de química de la universitat de Stanford, Califòrnia on, des d’aleshores, estudia els glicans presents a la superfície de les cèl·lules implicats en el reconeixement i la comunicació intercel·lular, que tenen a veure amb malalties com el càncer o la tuberculosi i trastorns inflamatoris com l’artritis.
Carolyn Bertozzi és lesbiana declarada obertament des dels anys 80’s. Te una dona i tres fills. Va assistir a la cerimònia del Nobel amb la seva parella, únic cas a la història del Nobel en que els dos membres de la parella fossin del mateix sexe. A l’entrevista abans citada de El País, expressa algunes opinions al respecte: creu que ha tingut més inconvenients a la seva carrera per el fet de ser dona que per ser homosexual; la societat ha canviat en els darrers anys respecte a l’homosexualitat ja que, si hagués nascut deu anys abans, no hauria pogut trobar una feina als Estats Units sent lesbiana; hi ha encara però molts països en els que estan penades les relacions sexuals entre persones del mateix sexe; a Qatar per exemple la condemnarien a mort, però estarien encantats d’utilitzar els seus fàrmacs contra el càncer.
Primer article publicat per Bertozzi sobre la química bioortogonal, any 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 passat 5 de desembre el Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) de Califòrnia va realitzar un experiment de fusió nuclear per el procediment inercial en el que, per primera vegada, es va generar un 50% més d’energia de fusió que l’energia emprada per obtenir-la. El departament d’Energia del govern dels Estats Units va anunciar aquest esdeveniment històric el 13 de desembre.
Representació dels feixos de raigs làser incidint sobre el combustible nuclear. Imatge LLNL
192 feixos de làser es concentren en una petita cambra on es troba el combustible nuclear format per els isòtops de l’hidrogen, deuteri i triti que, arribant a milions de graus de temperatura, es transformen en heli generant l’energia de fusió com passa a l’interior de les estrelles. L’energia aportada per els feixos làser va ser de 2.05 megajoules (MJ) i l’obtinguda de 3,15 MJ. És només un pas endavant ja que la quantitat d’energia obtinguda hauria de ser molt superior, però demostra per primera vegada la viabilitat d’aquest procediment, basat en els raigs làser, que tardarà probablement decennis en proporcionar energia per substituir la dels combustibles fòssils actuals.
La geotèrmia a 20 km de profunditat podria ser la solució per disposar d’una energia pràcticament il·limitada, l’energia del magma terrestre, que permetria deixar d’utilitzar combustibles fòssils i inclús energia nuclear. I podria estar disponible en tan sols 5 o 6 anys. Quaise, empresa nascuda el 2018 a l’Institut Tecnològic de Massachusetts (MIT), ha fet proves molt positives d’un sistema de perforació mitjançant ones mil·limètriques (microones de longitud d’ona de l’ordre de 1 mm) que permetria arribar a profunditats en les que es trobés magma a 500ºC a qualsevol punt de la superfície de la Terra. Així, es podria perforar en els mateixos llocs on es troben les centrals tèrmiques actuals i el vapor generat en profunditat mouria les turbines que mouen actualment els combustibles fòssils, per produir electricitat. Es disposaria d’una font d’energia pràcticament inexhaurible i sense inconvenients mediambientals.
El sistema de perforació de Quaise es basa en el girotró (gyrotron en anglès), un tipus de tub de buit de feix lineal que genera ones mil·limètriques mitjançant electrons accelerats fins a velocitats relativistes. Va ser inventat en els anys 1970 a l’Institut d’Investigacions Radiofísiques de Nijni Nóvgorod, Rússia, aleshores Unió Soviètica. Les ones mil·limètriques d’alta potència fonen qualsevol tipus de roca, deixant un forat cilíndric a través del qual s’injecta aigua que es converteix en vapor a alta pressió i temperatura en contacte amb el magma.
Els plans de Quaise, que ja ha aplegat 75 milions de dollars per finançar el projecte, preveuen: – Per 2024 disposar de la primera plataforma que combinaria la perforació rotatòria convencional per arribar als primers 5 km de fondària amb la perforació mitjançant ones mil·limètriques per assolir fins a 20 km. – El 2026 tenir un sistema pilot de geotèrmia en profunditat de 100 MW de potència. – El 2028 tenir la primera planta tèrmica convencional de combustibles fòssils reconvertida en planta de vapor geotèrmic net.
Central geotèrmica de Reikjanes. Islàndia. Foto JL DiezSortida de l’aigua de refrigeració. Central geotèrmica de Reikjanes. Islàndia. Foto JL Diez
La geotèrmia d’alta temperatura ja fa anys que s’utilitza, per exemple a Islàndia, aprofitant que allà el magma es troba a pocs quilòmetres de profunditat. La primera foto mostra la central geotèrmica de Reykjanes, de 100 MW de potència que funciona des de 2006. Aprofita un dipòsit de fluid salí, similar a l’aigua del mar, que es troba a 300 ºC de temperatura a una profunditat de entre 2 i 3 km. Les turbines, intercanviadors de calor i condensadors de la central van refrigerats per aigua de mar bombejada a raó de 4.000 litres/s. La segona foto mostra el vapor que es produeix al mar en els punts de sortida de l’aigua de refrigeració.
Disposar arreu de geotèrmia d’alta temperatura en pocs anys, com proposa Quaise, només depèn de que tingui èxit el desenvolupament del sistema de perforació. Integrar la nova energia a les centrals convencionals existents asseguraria una transició molt ràpida des dels combustibles fòssils, amb el que es donaria un tomb al canvi climàtic. Esperem que el projecte tingui èxit.
El passat 9 de novembre, IBM ha presentat el nou processador quàntic Osprey amb 433 qbits, que més que tripliquen els del processador Eagle presentat el 2021. L’IBM Osprey té una capacitat computacional molt superior a la de qualsevol ordinador clàssic. El nombre de bits clàssics necessaris per representar un estat de l’IBM Osprey supera molt el nombre total d’àtoms de l’univers conegut.
Darío Gil, vicepresident d’ IBM i director d’investigació, Jay Gambetta, investigador quàntic i Jerry Chow, director del grup quàntic experimental. Imatge IBM.
A la reunió anual del grup quàntic de la companyia, IBM Quantum Summit 2022, IBM ha donat a conèixer els desenvolupaments previstos en el futur immediat que culminaran el 2025 amb un processador de més de 4.000 qbits. Alhora, IBM continua treballant per mitigar el «soroll de fons» i controlar els errors que es produeixen en els ordinadors quàntics, per el que és necessari disposar d’un gran nombre de qbits. També ha informat de noves incorporacions a la seva xarxa quàntica de clients, el seu «ecosistema quàntic»: Bosch, multinacional alemanya, vol explorar nous usos quàntics, Vodafone treballar en criptografia quàntica segura, Crédit Mutuel Alliance Fédérale, banc francès, treballar en serveis financers i el Camp d’Innovació Suís de Basilea promoure projectes d’innovació en computació quàntica.
Hem d’esperar ara la reacció de competidors com Google o Xina, en la cursa per aconseguir l’ordinador quàntic que permeti passar a una nova escala en la capacitat de computació o la seguretat en les comunicacions.
El premi Nobel de química 2022 ha estat donat a K. Barry Sharpless, Scripps Research, La Jolla, CA, USA, Morten Meldal, University of Copenhagen, Denmark i Carolyn R. Bertozzi, Stanford University, CA, USA, per, «el desenvolupament de la química click i la química bioortogonal», segons va declarar l’Acadèmia Sueca de Ciències el passat 5 d’octubre de 2022.
Química click es refereix a un tipus de reaccions en les que petites molècules permeten la unió d’altres més grans, com les biomolècules. La forma de generar productes segueix exemples de la natura. Les reaccions click es produeixen molt ràpidament i no generen productes secundaris indesitjats. S’han utilitzat en síntesi de fàrmacs i en la detecció, localització i caracterització de biomolècules com les proteïnes.
El nom química click (click chemistry) va ser utilitzat per primera vegada en 1998 per K. Barry Sharpless. Poc després, Sharpless i Meldal van presentar, independentment un de l’altre, la que és la principal reacció click de les conegudes fins ara: la cicloaddició azida-alquí catalitzada per coure. És una reacció eficient, d’ús molt general, que s’utilitza, per exemple, en la fabricació de fàrmacs o en el mapeig (mapping) d’ADN.
Química bioortogonal és un terme utiitzat per Carolyn R. Bertozzi des de 2003, per descriure aquelles reaccions químiques que tenen lloc dins dels éssers vius però sense interferir amb els processos bioquímics naturals. És un tipus de química click que va desenvolupar Bertozzi per caracteritzar glicans, importants biomolècules de la superfície de les cèl·lules. Ara s’utilitza per explorar cèl·lules i fer el seguiment de processos biològics. Amb aquesta tècnica s’han obtingut fàrmacs contra el càncer dels que s’estan fent assajos clínics.
Enllaç bioortogonal entre la biomolècula X i el reactiu Y. Imatge Wikimedia Commons
És de remarcar que K. Barry Sharpless és la segona vegada que rep el Nobel de química. L’any 2001 va ser guardonat «per el seu treball en catàlisi quiral de reaccions d’oxidació».
