NOBEL DE QUÍMICA 2024 - Martín Martínez-Ripoll

 

Sobre el premio Nobel 2024 en Química y su trascendencia

El Premio Nobel de Química 2024 fue otorgado a David Baker, Demis Hassabis y John Jumper por sus contribuciones revolucionarias en el estudio de la estructura de las proteínas mediante inteligencia artificial y técnicas computacionales avanzadas. Este reconocimiento se centra en dos logros clave: el diseño computacional de proteínas y la predicción de sus estructuras tridimensionales, ambos avances con un enorme impacto en biotecnología y medicina.

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El desarrollo de los laureados no ha partido de cero.

Al margen del mérito de los laureados y de la indudable importancia de su aportación, es importante conocer que estos adelantos se han conseguido gracias al previo desarrollo de procedimientos científicos totalmente experimentales, y al acúmulo de información que durante décadas han generado tales herramientas, como la Resonancia Magnética Nuclear y muy específicamente por la aportada por la Cristalografía, es decir al uso de la interacción de los rayos X con los cristales, que ya desde principios del siglo XX comenzó a dar sus frutos aplicados a compuestos sencillos. Pero ha sido desde comienzos de la década de 1970 cuando la Cristalografía se empezó a aplicar a los cristales que se pueden obtener a partir de disoluciones de macromoléculas biológicas. La Cristalografía ha dado lugar hasta 29 Laureados Nobel desde principios del siglo XX y, hasta el día de hoy, al conocimiento experimental de la estructura de más de 225.000 macromoléculas biológicas.

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Artículo completo en español (web IQF-CSIC)

Artículo completo en inglés (web IQF-CSIC)

M. Martínez-Ripoll

Prof. de Investigación Emérito del CSIC

Instituto de Química-Física “Blas Cabrera”

12 octubre 2024

Cristalografía - Miquel Àngel Cuevas-Diarte - Laura Bayés - Teresa Calvet

 ¿Por qué se forman cristales y por qué lo hacen siempre en determinadas formas?

(Por Miquel Àngel Cuevas-Diarte, Laura Bayés y Teresa Calvet)

Capítulo 73 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

Si vamos a hablar de cristales, primero evitemos una confusión bastante habitual. Un cristal no es un vidrio. En castellano a menudo hablamos, incorrectamente, del cristal de la ventana. Deberíamos referirnos al vidrio de la ventana. Un cristal es un sólido donde los átomos, iones o moléculas están ordenados en su interior. Un vidrio es un sólido amorfo, desordenado, obtenido por el enfriamiento rápido de una mezcla de silicatos y otros componentes. Es una forma metaestable. Se trata de un líquido “congelado”. Cuando miramos un cristal nos sorprende, de forma inmediata, la existencia de caras planas, formando ángulos precisos, con aristas bien definidas. Sea cual sea el tamaño del cristal. Unas veces las veremos directamente y en otras necesitaremos una lupa, o un microscopio óptico, o incluso un microscopio electrónico. Observando estas morfologías, a veces espectacularmente bellas y perfectas, nace la Cristalografía. De hecho, el termino cristal proviene de la palabra krystallos con la que los griegos denominaban al hielo y a aquellos minerales transparentes, como el cristal de roca, que pensaban que se habían formado a partir del frio.

Si un cristal es un sólido ordenado, de este orden se deducen una serie de propiedades. Un cristal es periódico (las unidades que lo componen se distribuyen periódicamente en el espacio), es homogéneo (las propiedades de la  materia cristalina son idénticas en cada una de sus partes), es anisótropo (las propiedades de la materia cristalina varían con la dirección, como consecuencia de que la periodicidad en el cristal no tiene porqué ser igual a lo largo de todas las direcciones), y es simétrico (las unidades se distribuyen en el espacio siguiendo unos patrones con un cierto contenido de simetría, que hace equivalentes átomos, iones, o moléculas en el cristal).

¿Y dónde hay cristales? Pues casi en todas partes. Evidentemente es una exageración, pero no tanto. Los cristales están en la base de que podamos utilizar y beneficiarnos de muchas substancias y dispositivos que ayudan a hacernos la vida mucho más agradable. Los cristales y su cristalización juegan un papel muy importante en algunos alimentos como la sal común, el azúcar, la manteca, la leche, los aceites, el chocolate. Son la base del desarrollo y la eficiencia de muchos medicamentos que habitualmente tomamos para el dolor de cabeza, de muelas, etc. y otras enfermedades mucho más complejas. Los pigmentos utilizados desde la antigüedad, y también la cosmética moderna están relacionados con los cristales. Muchos dispositivos electrónicos funcionan gracias a los cristales: tenemos pantallas de televisión y monitores de ordenadores con cristales líquidos, algunos relojes nos dan la hora de forma puntual gracias a alguna propiedad de los cristales, algunos instrumentos médicos y sistemas de transporte de electricidad se basan en materiales superconductores, y muchos otros. Las conchas y caparazones de muchos animales, e incluso las de los huevos son estructuras complejas y muy eficientes parcialmente cristalinas. Nosotros llevamos cristales en los huesos y en el esmalte de los dientes. Si tenemos la desgracia de necesitar una prótesis, muchas son cristalinas. Mantenemos el equilibrio gracias a un pequeño cristalito situado en la parte interna de nuestro oído. Y sentimos dolores muy agudos si también tenemos la desgracia de sufrir de gota o cristalizamos en nuestro interior cálculos renales o de otro tipo formando cristales que en unos casos martirizan nuestras articulaciones y en otros son demasiado grandes para ser evacuados con facilidad.

¿Y los cristales cómo se forman? Pues vamos a contemplar dos escenarios: en la naturaleza y en el laboratorio. En la naturaleza pueden formarse por evaporación del solvente en el que están disueltos los iones, por ejemplo el agua de una laguna, por enfriamiento de un fluido fundido, por ejemplo durante una erupción volcánica, por efecto de las altas temperaturas y presiones en el interior de la Tierra, etc. Es evidente que no observamos siempre grandes cristales y bien formados, más bien raramente. Lo normal es requerir de instrumentos como la lupa o el microscopio para poderlos ver. Pero el tamaño no importa. Sus características fundamentales son las mismas. También existen cristales grandes, incluso gigantes. En algunas zonas mineras se extraen ejemplares extraordinarios que después podemos admirar en los museos y en algunas tiendas. Juan Manuel García-Ruíz ha descrito magistralmente algunos casos espectaculares en una magnífica película que se puede visualizar por Internet: El Misterio de los Cristales Gigantes. Se trata de los cristales de yeso de Pulpí, en Almeria, de los de la mina de El Teniente en Chile, o de los cristales gigantes de la mina de Naica, en México. En el laboratorio, imitando a la naturaleza, los mecanismos de obtención de cristales también se basan en la evaporación o enfriamiento lento de una solución, en el enfriamiento lento de un fundido, en la sublimación de un sólido y condensación del vapor, en la difusión a través de un medio poroso, y un largo etcétera. Según el material que queramos cristalizar, y según el objetivo que persigamos. Para determinar la estructura interna del cristal cada vez requerimos de cristales de menor tamaño. Y el laboratorio que tenemos siempre más a mano es la cocina de nuestra casa, y en la cocina seguro que tenemos sal común para aderezar nuestros platos. La sal común que utilizamos habitualmente, es un polvo blanco que a simple vista no sabríamos decir si está formado por cristales. Sin embargo, si lo observamos con una lupa, nos aparecerán unos magníficos cristales en forma de cubos, diminutos para que se disuelvan con rapidez, pero con una morfología bien desarrollada. La sal común, químicamente cloruro sódico, cristaliza en el sistema cúbico, y da lugar a cubos con los tres lados iguales y los ángulos de 90° entre las tres direcciones fundamentales. Esos cubos son el reflejo del ordenamiento exacto de los iones de sodio y de cloro, alternados para compensar sus cargas eléctricas, en una red cúbica limitada por las caras. La sal común puede proceder de una mina de sal o, más habitualmente, de la evaporación del agua de mar en salinas que todos hemos visto alguna vez.

Hagamos un ejercicio. Ya que estamos en la cocina, cojamos un recipiente y vertamos en él una o dos tazas pequeñas de agua del grifo. Ahora calentemos esa agua en el fuego y echemos un poco de sal removiendo para favorecer su disolución. Al principio, la sal se disuelve rápidamente. Si continuamos añadiendo sal al agua, cada vez se disolverá más lentamente a pesar de que la temperatura aumenta su solubilidad. Cuando veamos que ya no se disuelve más, paramos. Hemos obtenido una solución saturada de cloruro sódico en agua. Cada substancia tiene lo que denominamos una curva de solubilidad que determina la cantidad que puede disolverse a una temperatura dada. Podíamos haber buscado la curva de solubilidad del cloruro sódico en Internet y hubiéramos sabido la cantidad de sal a utilizar para una cantidad determinada de agua a la temperatura que mediríamos con un termómetro. Nosotros hemos trabajado empíricamente, pero llegamos a un resultado final suficiente para nuestros propósitos. Ahora retiremos el recipiente del fuego, pongámoslo en un lugar resguardado de cambios bruscos de temperatura, tapémoslo mínimamente para que no caiga polvo y dejémoslo en reposo. Al cabo de horas o días, según la cantidad utilizada, veremos que se han formado cubos de sal común en mayor o menor cantidad (figura 1). No es magia. Es pura Cristalografía. La solución, con el tiempo, se ha enfriado y ha ido evaporando el solvente. Se ha sobresaturado. Ha llegado a una concentración en la que se han formado primero núcleos de sal invisibles a simple vista y esos núcleos han ido creciendo paulatinamente. Se trata del fenómeno de nucleación y crecimiento en el que se basa el crecimiento cristalino. Observarlo en una lupa o en un microscopio es una maravilla y una bella sorpresa para la mayoría. Evidentemente, no vamos a estar días pegados al microscopio, pero podemos grabarlo y observarlo posteriormente. O podemos trabajar con una sola gota con lo que el proceso será rápido aunque se formaran muy pocos cristales.

Figura 1. Cristales de Cloruro Sódico (sal común) observados con una lupa. Se ve perfectamente la simetría cúbica. En algunos de ellos también quedan marcadas las líneas de crecimiento.

Pero si en nuestra cocina tenemos también una sal que se denomina sal Maldon y la observamos con la lupa, no veremos cubos. Veremos pirámides. Muy bellas. Con las líneas de crecimiento muy bien marcadas y huecas por dentro al haber crecido muy rápidamente las aristas. Pero habíamos dicho que el cloruro sódico es cúbico.  Efectivamente, pero ello no significa que los cristales cúbicos cristalicen siempre en forma de cubos. También pueden desarrollarse caras de octaedro, de tetraedro, etc. Cada substancia tiende a desarrollar una morfología de equilibrio en función de su estructura interna que, sin entrar en detalles depende de las direcciones de enlaces fuertes, que en el caso del cloruro sódico es el cubo. Pero variando las condiciones experimentales de crecimiento o añadiendo cantidades y tipos de impurezas podemos variar la morfología del cristal parcial o totalmente.

Por ejemplo, con la sal común si utilizamos formamida en lugar de agua, obtendremos octaedros de sal. Si hemos hablado de las salinas, igual recordamos que no siempre se ven las balsas de evaporación de color blanco. Algunas de ellas las veremos coloreadas y de colores diferentes según la zona geográfica. Ello es debido a la presencia de diferentes sales presentes en el agua. De forma análoga, las industrias de la sal trabajan constantemente para incorporar otros elementos que puedan proporcionarnos algún efecto beneficioso para nuestra salud o placentero para nuestro paladar. Es cierto que no deberíamos abusar de la sal, sobre todo algunos de nosotros propensos a algunas enfermedades. Por ello se trabaja también para reducir la cuota de sal que tomamos sin disminuir la sensación de que estamos tomando sal. El incremento de la superficie específica de los cristales de sal va en esta dirección y ello depende en gran medida de los métodos de cristalización que bien controlados y basados en conceptos científicos pueden favorecer la formación de láminas, pirámides, esferas huecas, etc.

El estudio o la descripción de un cristal lo podemos abordar a dos niveles: macroscópico y microscópico. Los dos estrechamente relacionados. El orden de los átomos, iones o moléculas en el interior del cristal es la causa de que los cristales formen poliedros regulares más o menos bien formados a escala macroscópica. Dicho de otra manera, las formas externas de los cristales son el efecto de su orden interno. La simetría macroscópica es una simetría finita, ya que los poliedros cristalinos son figuras finitas, y el número de operaciones de simetría que los describen también es finito. En cambio, la simetría microscópica es infinita ya que la distribución de átomos, iones o moléculas en el interior del cristal se puede considerar infinita, aunque limitada por las caras. El interior del cristal se describe a la escala del Angstrom. Recordemos que un metro son 10¹⁰ Å, es decir, diez mil millones de Angstroms. Inicialmente, y hasta el año 1912 en el que se descubre la difracción de rayos X, que abre las puertas a la posibilidad de determinar la estructura interna de los cristales, a partir de su observación macroscópica y de algunas pocas propiedades mesurables con instrumentos rudimentarios tan solo se podían establecer hipótesis sobre su interior, aunque muchas de ellas fueron corroboradas posteriormente. Fue necesario reinventar la noción de átomo, y después introducir la de molécula, para poder comenzar a introducir la noción de que en el interior del cristal hay una pequeña parte que se repite periódicamente en las tres direcciones del espacio y que nos describe el conjunto del cristal. La estructura interna del cloruro sódico nos muestra el ordenamiento preciso de los iones de sodio y de cloro en las tres direcciones del espacio que adoptan una simetría cúbica, con vectores de periodicidad de módulos idénticos en las tres direcciones y formando ángulos rectos entre ellos (figura 2). Este ordenamiento interno se traduce en los cubos de sal común que observamos macroscópicamente. Una substancia cristalina tiene una estructura interna determinada y esta se traduce en una forma externa acorde con ella.

Figura 2. Estructura cristalina del cloruro sódico (sal común). Las esferas violetas representan iones de cloro y los verdes iones de sodio.

Este orden interno, microscópico, comporta un cierto contenido de simetría. Aquí hablaremos de simetría microscópica, de simetría espacial, de simetría infinita. Dada la escala a la que nos situamos, el cristal puede considerarse como un universo infinito, limitado por las caras. Las operaciones de simetría hacen equivalentes átomos, iones o moléculas. Son las mismas operaciones que hemos descrito en la simetría macroscópica, y algunas más: la translación, que asociada a la reflexión da lugar a los planos de deslizamiento, y asociada a la rotación a los ejes helicoidales.

También aquí el conjunto de elementos de simetría que describen el interior de un cristal forman un grupo de operaciones en el sentido matemático del término. En dos dimensiones son 17. Es la simetría presente en cualquier dibujo u ornamentación que pretenda llenar todo el plano a partir de un motivo repetido periódicamente por dos translaciones (la mayor parte de papeles pintados que decoran las paredes de las habitaciones, la ornamentación de las paredes y pavimentos en la arquitectura mudéjar de Aragón o de la Alhambra de Granada, o de Los Reales Alcázares de Sevilla, los pavimentos de muchas aceras de nuestras ciudades. En tres dimensiones son 230 los grupos de operaciones de simetría espacial o de simetría infinita. Si introducimos diferencias de color (simetría poli cromática) los grupos aumentan a 1651 en simetría dicromática. Cada uno de estos grupos de operaciones de simetría espacial es el resultado de combinar una red de puntos, que representa la distribución periódica de los átomos, iones o moléculas en el interior del cristal, con el conjunto de operaciones de simetría que representan las equivalencias entre los átomos, iones o moléculas en el espacio. En dos dimensiones consideramos cinco redes planas en función de la simetría que pueden contener, y en tres dimensiones son 14. En todos los casos la geometría de la red queda configurada por la simetría que puede contener.

La forma de los cristales depende de la velocidad relativa de crecimiento de las diferentes caras. Aquellas que tienen una velocidad de crecimiento más baja serán las que tenderán a predominar en la forma cristalina. Las de velocidades superiores tienden a desaparecer. Las velocidades de crecimiento de las caras dependen de la distribución espacial de las unidades de crecimiento en el interior del cristal. Esta distribución es una consecuencia de las fuerzas de atracción y de la distribución de las fuerzas de enlace entre las unidades estructurales en cada cara. La forma externa del cristal no deja de ser una buena indicación de la distribución simétrica de las unidades estructurales en su interior.

Cuando observamos un cristal que durante el proceso de crecimiento haya desarrollado sus caras suficientemente, podemos apreciar que algunas de estas caras son exactamente idénticas las unas a las otras después de efectuar algunos movimientos en el espacio. Es lo que denominamos una operación de simetría. Cada poliedro tiene unos elementos de simetría característicos que lo describen y que permiten su clasificación. El conjunto de elementos de simetría de un poliedro forman un grupo de operaciones en el sentido matemático del término. Como todos los elementos de simetría de un poliedro cristalino se intersectan en un punto (su centro), hablamos de grupo puntual de simetría. Las operaciones de simetría son pocas: rotación, reflexión, inversión, y rotación seguida de inversión. Todas estas operaciones de simetría, que aquí aplicamos al cristal, no dejan de ser las mismas que podemos aplicar a los objetos que nos rodean. Por ejemplo, una mesa de comedor rectangular presenta dos planos de reflexión perpendiculares entre sí, i un eje de rotación de 180° en la intersección de los planos. Si la mesa es cuadrada, el ángulo de rotación del eje será de 90°. Muchos edificios los podemos dividir en dos mitades exactamente idénticas por un plano de reflexión.

¿Y por qué los cristales adoptan siempre determinadas formas? Porque la forma externa de un cristal refleja la simetría del grupo puntual. Los cristales están formados por una o varias formas cristalinas, todas ellas correspondientes al grupo puntual del cristal. Una forma cristalina es el conjunto de caras relacionadas entre ellas por la simetría del grupo puntual. La estructura interna del cristal induce un hábito característico de la forma externa cristalina. Las unidades estructurales del cristal pueden estar distribuidas de forma similar en las tres direcciones del espacio (habito isométrico), estar distribuidas de forma bidimensional (hábito laminar), tener una dimensión más desarrollada que las otras dos (hábito prismático), o estar distribuidas prácticamente según una dimensión (hábito acicular), como puede verse en la Figura 3.

Figura 3: Diferentes hábitos cristalinos.

Además, durante el proceso de crecimiento (en la naturaleza o en el laboratorio), los cristales pueden dar lugar a maclas, que son asociaciones de cristales siguiendo una cierta ley de simetría. Como, por ejemplo, la macla de contacto de la albita, la macla de rotación de la ortoclasa, la macla de interpenetración de la fluorita, la macla cíclica del aragonito, etc.

 

 

Miquel Àngel Cuevas-Diarte

Laura Bayés

Teresa Calvet

Doctores en Cristalografía

Profesores de la Universitat de Barcelona

Miquel Àngel Cuevas-Diarte es catedrático emérito de Cristal·lografiayMineralogia de la Universitat de Barcelona. Especialista en polimorfismo y miscibilidad en estado sólido, actualmente trabaja en la Cristal·lografia de componentes alimentarios.

Autor de publicaciones en revistas especializadas, comunicaciones y conferencias en congresos y coautor de dos patentes, recibió la mención especial del Premi Ciutat de Barcelona en investigación tecnológica el 1998. Ha sido profesor invitado en la Université Bordeaux I en varias ocasiones, y coordinado la Red Temàtica de Aleaciones Moleculares y el Réseau Européen sur les Alliages Moléculaires (REALM).

Ha impartido docencia sobre diferentes aspectos de la Cristal·lografia, así como conferencias, seminarios y talleres de divulgación. Ha sido el coordinador de las cinco primeras ediciones del concurso de cristalización en la escuela en Catalunya.

Es autor, coautor y editor de Problemes de Cristal·lografia (2006), Simetria. Un passeig interdisciplinari (2015), Simetries per a tothom. Un recorregut ple de sorpreses per l’art i la ciència (2016), y Simetries de Barcelona (2017) publicados por Publicacions i Edicions de la Universitat de Barcelona.

Is a silicon-based life possible? - David L. Van Vranken and Vanessa Arredondo

Is a silicon-based life possible?

(By David L. Van Vranken and Vanessa Arredondo)

Chapter in Spanish / Capítulo en español

Chapter 79,  SCIENCE, and I also understand it!!!

(November 2016)

Carbon atoms and molecules containing carbon-carbon bonds are central to all living organisms on Earth. For example, they are the backbone of DNA, RNA, proteins, plants, animals, humans, and much more. Even so, is it possible for life to be centered around an element other than carbon? The periodic table, introduced in the 1860s, orders elements by size and chemical properties. Elements in the same column are predicted to exhibit similar Chemical properties. Silicon should be the most chemically similar to carbon since it is located directly below carbon in the periodic table. They both have four valence electrons in their outer shell so both are capable of bonding four groups to form tetrahedral structures.

However, there are a few key differences between the bonds that carbón and silicon can make. Carbon-carbon bonds are slightly stronger than silicon-silicon bonds due to the larger size of silicon atoms. Carbon is limited by the octet rule to eight valence electrons and is generally limited to four bonds. Silicon is not constrained by the octet rule and can have more than eight valence electrons; it prefers four bonds but easily makes stable molecules where it has five or even six bonds to other atoms.

The ability to form more bonds should allow silicon to produce a wider array of complex molecular structures than carbon. Additionally, silicon predominates over carbon in rocky planets like Earth. Silicon makes up 14% of Earth by mass whereas carbon makes up less than 0.1%. Given the chemical promiscuity and abundance of silicon can we envision life forms based on silicon instead of carbon?

The question of silicon based life isn’t new. Many have speculated on silicon-based life forms and Isaac Asimov’s biochemical training and expansive vision led him to assess the chemical features of carbon relative to silicon. Both elements form highly stable oxides with molecular oxygen: carbon forms carbon dioxide (CO2) and silicon forms silica (SinO2n). The physical properties of these two compounds differ dramatically. Carbon dioxide is readily processed; it is a gas that readily dissolves in and reacts with water. In contrast, silica readily forms refractory silicate salts. Silica and silicates are the main component of rock; they are insoluble in water and unreactive. Furthermore, the higher stability of silica relative to carbon dioxide makes it harder to reduce to form useful Si-H or Si-Si bonds. Life on our planet is ultimately driven by biochemical reduction of CO2 to make molecules composed of C-H and C-C bonds.

Life is also dependent on a host of other biochemical processes such as replication, adaptation, and metabolism. These processes are dependent on interactions involving flat rings that are one atom thick. The flat shape of such molecular fragments is dependent upon the ability to form intrinsically stable, flat, double bonds (Figure 1). Carbon atoms can do it; nitrogen atoms can do it; oxygen atoms can do it; and they can combine to form stable carbon-nitrogen, carbon-oxygen, and nitrogen-oxygen doublé bonds. Silicon atoms cannot form stable double bonds with each other or with other atoms. Silicon-silicon double bonds are weaker than a typical carbon-carbon doublé bond (14-24 kcal/mol vs >48 kcal/mol) and require extremely large groups on silicon to prevent spontaneous reactions with oxygen or water. Silicon-silicon double bonds are not planar because the silicon atoms prefer pyramidal geometries.

Figure 1: Examples of stable double bonds involving carbon and an example of an unstable silicon-silicon double bond.

The ability of carbon to form stable flat molecules with other carbon atoms makes it a powerful atom. In one of its purest forms – graphite – carbon atoms are bonded with each other to form flat sheets. Each carbon atom in graphite is attached to three other carbon atoms, forming a two-dimensional hexagonal array that resembles a honeycomb structure (Figure 2, left). In a simplified representation, each carbon atom in graphite is doubly bonded to one other carbon atom. These double bonds are also known as pi bonds. The two-dimensional sheets of carbon atoms in graphite stack on top of each other. When the sheets stack, the pi bonds from one sheet interact with pi bonds on sheets above and below.

Figure 2: Left: In graphite, carbon atoms are arranged in stacked sheets. Right: In diamond, carbon atoms are arranged in a 3-dimensional lattice.

Those interactions are referred to as pi stacking interactions, which are stabilizing; they make the aggregate of sheets stronger than the individual sheets. Diamond is another pure form of carbon in which each carbon atom is bonded to four other carbon atoms forming a rigid three-dimensional lattice (Figure 2, right). Under normal conditions, graphite is slightly more stable than diamond because of the favorable pi stacking interactions between the sheets. The energy of these sheet like interactions in graphite is approximately 1.4 kcal/mol, making stacked sheets of carbón ten times more stable than isolated sheets.

Pi stacking is equally possible when the flat molecules contain double bonds between carbon, nitrogen, and oxygen in various combinations. The molecules of life are completely dependent on these pi stacking interactions between atomically flat components. For example, in DNA, pi stacking of subunits called “bases” is essential for self-assembly into the iconic double helix (Figure 3, left). The DNA bases are flat rings composed of carbon, nitrogen, and oxygen atoms. The pi stacking interactions between DNA bases are essential for the long term stability of DNA and its function as a repository for genetic information. The biological molecule RNA also contains bases and is widely recognized as the molecular precursor to DNA in the genesis of life. Not surprisingly, similar pi stacking interactions are evident in the chemical structure of RNA (Figure 3, center). Finally, inspection of proteins reveals the importance of pi stacking interactions both within the folded structure of proteins and between proteins and their reacting partners (Figure 3, right).

Figure 3: Pi-stacking interactions between flat bases in the molecules of life. Left: flat bases stack up in DNA; Middle: flat bases stack up in RNA; Right: protein side chains stack in a metabolic protein enzyme.

Carbon can form stable flat double bonds and atomically flat rings that are necessary for the molecular recognition processes responsible for life. Silicon does not form stable double bonds with any atom: nitrogen, carbon, oxygen or even itself. Since silicon cannot form stable double bonds, it cannot form atomically flat structures capable of stacking. A biochemical universe based on silicon would lack the capacity for face-to-face molecular recognition through pi-stacking, much like a warehouse containing irregular containers that could not be stacked.

A silicon-based biochemical system faces a serious design challenge that is not easily overcome. Even if all environmental conditions were met to allow for silicon containing bonds to the main constituent of biochemical processes, silicon will always fall short. In a world where life depends on molecular processes involving atomically flat structures, silicon will never be able to stack up.

 

 

Bibliography:

1.  a. Asimov, I. “Big Brother” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. September, 1982. b. Asimov, I. “V. Big Brother” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 61-71.

2.  a. Asimov, I. “Bread and Stone” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. October, 1982. b. Asimov, I. “VI. Bread and Stone” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 72-82.

3.  a. Asimov, I. “VII. A Difference of an E” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. November, 1982. b. Asimov, I. “VII. Big Brother” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 83-94.

4.  a. Asimov, I. “Silicon Life After All” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. December, 1982. b. Asimov, I. “VIII. Silicon Life After All” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 95-108.

5. Iwamoto, T.; Ishida, S. “Multiple Bonds with Silicon: Recent Advances in Synthesis, Structure, and Functions of Stable Disilenes” in Functional Molecular Silicon Compounds II. Scheschkewitz, D., Ed. Structure and Bonding, Vol 156. Springer: Switzerland, 2013. pp. 125-202.

6.  Zacharia, Renju “Chapter 4. Energetics of interlayer binding in graphite.” in Desorption of Gases from Graphitic and Porous Carbon Surfaces. Dissertation. Freie Universtitat Berlin. 2004.

7.  Girifalco, L. A.; Lad, R. A. Lad, J. Chem. Phys., 1956, 25, 693.

8. Winter, N. W.; Ree, F. H. “Stability of the Graphite and Diamond Phases of Finite Carbon Clusters” Detonation Symposium Snowmass, CO August 30 – September 4,1998.

 

 David L. Van Vranken                          Vanessa Arredondo

        Professor of Chemistry             Ph.D. Candidate in Chemistry**

University of California, Irvine

 

** (Ph.D. 2019)

David L. Van Vranken

David Van Vranken is a Professor of Chemistry at the University of California at Irvine where he studies chemical reactivity and harnesses it for construction of new molecules, atom-by-atom and bond-by-bond. He earned his B.S. in Chemistry at the University of Texas at Austin and his Ph.D. at Stanford University before doing postdoctoral work at the University of California at Berkeley. He is co-author of the textbook Introduction to Bioorganic Chemistry and Chemical Biology.

Vanessa Arredondo

Vanessa Arredondo studied chemistry at Vanderbilt University where she earned her BS in Chemistry.

She now studies chemical reactivity with Professor David Van Vranken in the graduate program at the University of California at Irvine.**

** (Ph.D. 2019)

¿Es posible una vida basada en el silicio? - David L. Van Vranken y Vanessa Arredondo

¿Es posible una vida basada en el silicio?

(Por David L. Van Vranken y Vanessa Arredondo)

Capítulo en inglés / Chapter in English

Capítulo 79 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

Los átomos de carbono y moléculas que contienen enlaces carbono-carbono son fundamentales para todos los organismos vivos de la Tierra. Por ejemplo, constituyen la estructura del ADN, ARN, de proteínas, plantas, animales, seres humanos, y mucho más. Aun así, ¿será posible que la vida se centre alrededor de un elemento además del carbono? La tabla periódica, introducida en la década de 1860, ordena los elementos por tamaño y propiedades químicas. Los elementos en la misma columna anticipan a exhibir propiedades químicas similares. Silicio debería ser el elemento químicamente más parecido al carbono ya que se encuentra directamente debajo del carbono en la tabla periódica. Ambos tienen cuatro electrones de valencia en su capa exterior que permite a los dos unirse con cuatro grupos para formar estructuras tetraédricas.

Sin embargo, hay algunas diferencias importantes entre los enlaces que el carbono y el silicio pueden hacer. Enlaces de carbono-carbono son un poco más fuertes que los enlaces de silicio-silicio debido al tamaño más grande del átomo de silicio. El carbono está limitado por la regla del octeto – solo puede tener ocho electrones de valencia – y por lo general se limita a cuatro enlaces. Silicio no está limitado por la regla del octeto y puede tener más de ocho electrones de valencia. Silicio prefiere cuatro enlaces, pero fácilmente produce moléculas estables en las que tiene cinco o incluso seis enlaces con otros átomos. La habilidad para formar más enlaces debería permitir al silicio producir una mayor variedad de estructuras moleculares complejas comparado con el carbono. Además, el silicio predomina en cantidad sobre el carbono en planetas rocosos como la Tierra. El silicio constituye el 14% de la Tierra por peso mientras el carbono representa menos del 0.1%. ¿Dada la promiscuidad química y la abundancia de silicio podemos visualizar formas de vida basadas en el silicio en lugar del carbono?

La cuestión sobre vida basada en el silicio no es nueva. Muchos han especulado sobre las formas de vida basadas en el silicio. La educación bioquímica de Isaac Asimov y su visión diletante lo llevó a evaluar las características químicas del carbono en relación con el silicio. Ambos elementos forman óxidos estables con oxígeno molecular: el carbono forma dióxido de carbono (CO₂) y el silicio forma sílice (Si_nO_2n). Las propiedades físicas de estos dos compuestos difieren dramáticamente. El dióxido de carbono se procesa sin esfuerzo; es un gas que se disuelve fácilmente en agua y reacciona con el agua. En contraste, sílice rápidamente forma sales de silicato refractario. Sílice y silicatos son el principal componente de la roca; son insolubles en agua y no son reactivos con agua. Además, la mayor estabilidad de sílice en relación con la del dióxido de carbono hace que sea más difícil de reducirlo para formar enlaces útiles como silicio-hidrógeno o silicio-silicio. La vida en nuestro planeta últimamente es posible por la reducción bioquímica de CO₂ para formar moléculas compuestas de enlaces carbono-hidrógeno y carbono-carbono.

La vida también depende de una serie de otros procesos bioquímicos tales como la replicación, la adaptación, y el metabolismo. Estos procesos son dependientes de las interacciones que involucran anillos planos que son un átomo grueso. La forma plana de estos fragmentos moleculares depende de la capacidad de formar enlaces dobles estables y planos. Los átomos de carbono, nitrógeno, y oxigeno pueden hacerlo. Además, estos elementos también pueden combinarse para formar enlaces dobles estables de carbono-nitrógeno, carbono-oxígeno, y nitrógeno-oxígeno (Figura 1). Los átomos de silicio no pueden formar enlaces dobles estables entre sí o con otros átomos. Enlaces dobles de silicio-silicio son más débiles que enlaces dobles típicos de carbono-carbono (14-24 kcal/mol comparado a más de 48 kcal/mol) y requieren extremadamente grandes grupos en el átomo de silicio para prevenir reacciones espontáneas con el oxígeno o el agua. Además, enlaces dobles de silicio-silicio no son planos debido a que los átomos de silicio prefieren geometrías piramidales (Figura 1).

Figura 1: Ejemplos de enlaces dobles estables que incluyen carbono y de un enlace doble inestable del silicio.

La capacidad del carbono para formar moléculas planas estables con otros átomos de carbono hace que sea un átomo potente. En una de sus formas más puras, grafito, átomos de carbono forman enlaces con otros tres átomos de carbono. En esta disposición, los átomos de carbono forman láminas u hojas planas (Figura 2, izquierda). En una representación simplificada, cada átomo de carbono está enlazado doblemente a otro átomo de carbono. Estos dobles enlaces son conocidos como enlaces p (pi). Las láminas bidimensionales de átomos de carbono en el grafito se apilan unas encima de las otras. Cuando se apilan, los enlaces pi de una hoja interactúan con los enlaces pi de la otra hoja. Esas interacciones se conocen como apilamiento pi, y son estables; hacen que el agregado de hojas sea más fuerte que las hojas individuales. El diamante es otra forma pura de carbono, cada átomo de carbono está unido a otros cuatro átomos de carbono y forman una red tridimensional rígida (Figura 2, derecho). En condiciones normales, el grafito es ligeramente más estable que el diamante, debido a las favorables interacciones de apilamiento pi entre las hojas. La energía de estas interacciones entre las láminas de grafito es de aproximadamente 1.4 kcal/mol. Esto significa que las hojas apiladas de carbono son diez veces más estables que las hojas aisladas.

Figura 2: Izquierda: En grafito, los átomos de carbono están ordenados en láminas apiladas. Derecha: En diamante, los átomos de carbono están ordenados en una red tridimensional.

Apilamiento pi es igualmente posible cuando las moléculas planas contienen enlaces dobles entre carbono, nitrógeno, y oxígeno en diversas combinaciones. Las moléculas de la vida son completamente dependientes de las interacciones del apilamiento pi entre componentes atómicamente planos.  Por ejemplo, en el ADN, el apilamiento pi de subunidades llamadas bases es esencial para el auto-ensamblaje de las unidades en la estructura icónica doble hélice (Figura 3, izquierda). Las bases de ADN son anillos planos compuestos de átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno. Las interacciones de apilamiento pi entre las bases de ADN son esenciales para la estabilidad del ADN y para su función como repositorio de información genética. La molécula biológica ARN también contiene bases y es ampliamente reconocido como el precursor molecular a ADN en la génesis de la vida. No es sorprendente que interacciones similares de apilamiento pi son evidentes en la estructura química del ARN (Figura 3, centro). Por último, la inspección de las proteínas revela la importancia de las interacciones de apilamiento pi, tanto dentro de la estructura plegada de proteínas como entre las proteínas y su par de reacción (Figura 3, derecha).

Figura 3: Interacciones apilamiento pi entre las bases planas en las moléculas de la vida. Izquierda: bases planas apiladas en el ADN; Centro: bases planas apiladas en ARN; Derecha: cadenas laterales de proteínas se apilan en una enzima metabólica.

El carbono puede formar enlaces dobles planos y estables y también anillos planos que son necesarios para los procesos de reconocimiento molecular responsable de la vida. El silicio no forma enlaces dobles estables con cualquier átomo: nitrógeno, carbono, oxígeno o incluso a sí mismo. Dado que el silicio no puede formar enlaces dobles estables, no puede formar estructuras atómicamente planas capaces de apilamiento. Un universo bioquímico basado en silicio carecería de la capacidad para el reconocimiento molecular cara a cara a través de apilamiento pi. Sería semejante a un almacén que contiene envases irregulares que no podían ser apilados. Un sistema bioquímico basado en silicio se enfrenta a un reto de diseño serio que no es fácil de superar. Aunque todas las condiciones ambientales necesarias existirían para permitir enlaces con silicio como el constituyente principal de los procesos bioquímicos, silicio siempre se quedará corto. En un mundo donde la vida depende de los procesos moleculares que implican estructuras atómicamente planas, el silicio nunca será capaz de apilar.

 

Bibliografía:

1.  a. Asimov, I. “Big Brother” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. September, 1982. b. Asimov, I. “V. Big Brother” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 61-71.

2.  a. Asimov, I. “Bread and Stone” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. October, 1982. b. Asimov, I. “VI. Bread and Stone” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 72-82.

3.  a. Asimov, I. “VII. A Difference of an E” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. November, 1982. b. Asimov, I. “VII. Big Brother” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 83-94.

4.  a. Asimov, I. “Silicon Life After All” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. December, 1982. b. Asimov, I. “VIII. Silicon Life After All” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 95-108.

5. Iwamoto, T.; Ishida, S. “Multiple Bonds with Silicon: Recent Advances in Synthesis, Structure, and Functions of Stable Disilenes” in Functional Molecular Silicon Compounds II. Scheschkewitz, D., Ed. Structure and Bonding, Vol 156. Springer: Switzerland, 2013. pp. 125-202.

6.  Zacharia, Renju “Chapter 4. Energetics of interlayer binding in graphite.” in Desorption of Gases from Graphitic and Porous Carbon Surfaces. Dissertation. Freie Universtitat Berlin. 2004.

7.  Girifalco, L. A.; Lad, R. A. Lad, J. Chem. Phys., 1956, 25, 693.

8. Winter, N. W.; Ree, F. H. “Stability of the Graphite and Diamond Phases of Finite Carbon Clusters” Detonation Symposium Snowmass, CO August 30 – September 4,1998.

 

 David L. Van Vranken                          Vanessa Arredondo

      Doctor en Química, Profesor Titular           Candidata a Doctora en Química**

Universidad California de Irvine

 

** (Ph.D. 2019)

David L. Van Vranken

David Van Vranken es Profesor de Química en la Universidad de California en Irvine, donde estudia la reactividad química y la aprovecha para la construcción de nuevas moléculas, átomo por átomo y enlace por enlace. Obtuvo su B.S. en Química en la Universidad de Texas en Austin y su Ph.D. en la Universidad de Stanford antes de hacer trabajo postdoctoral en la Universidad de California en Berkeley. Es coautor del libro de texto Introducción a la Química Bioorgánica y la Biología Química.

Vanessa Arredondo

Vanessa Arredondo estudió química en la Universidad de Vanderbilt donde obtuvo su licenciatura en Química.

Ahora estudia la reactividad química con el profesor David Van Vranken en el programa de postgrado de la Universidad de California en Irvine.**

** (Ph.D. 2019)

¿Un futuro para la ciencia? - Bernardo Herradón

¿Un futuro para la ciencia? Una visión desde la química.

(Por Bernardo Herradón)

Capítulo 72 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

Desde que nos levantamos hasta que nos acostamos, estamos rodeados de ciencia. Como se indicará más adelante, los beneficios que obtenemos de la ciencia (y sus aplicaciones, la tecnología) superan con mucho a sus posibles riesgos o perjuicios. También hay que tener en cuenta que la mayoría de los aspectos negativos relacionados con la ciencia y la tecnología se deben a su mal uso.

En este capítulo nos aventuramos a hacer pronósticos sobre el futuro de la ciencia, especialmente de la química, basándonos en su evolución reciente, sin olvidar alguna llamada de atención sobre aspectos que pueden hacer peligrar su progreso.

 

1          ¿Habrá ciencia en el futuro?

Esta parece una pregunta de fácil respuesta, ¿cómo no va a existir la ciencia?, ¡con la inmensa cantidad de comodidades y avances que nos proporciona! Sin embargo, hay signos preocupantes que no hacen ser muy optimista sobre el futuro ni tan contundente en esta respuesta. Estas señales son globales, pero se acentúan en países con poca tradición científica, como España. Algunos aspectos preocupantes son:

1.1 Baja percepción social de la ciencia.

Muchas personas no son capaces (o no quieren) de reconocer lo que la ciencia ha hecho por su calidad de vida; e, incluso se destacan aspectos negativos puntuales, tales como “la contaminación ambiental”, “el miedo a los transgénicos”, “la desconfianza sobre métodos para producir energía”, etc.

1.2 Pobre cultura científica.

La sociedad actual aprecia ciertos valores; en los que, por desgracia, la cultura (sin calificativos) no ocupa un papel predominante. Algunos de los asuntos indicados en el párrafo anterior tienen que ver con la falta de cultura del receptor de la información.

1.3 El ‘éxito’ de las pseudociencias.

Como consecuencia de las situaciones comentadas en los dos párrafos anteriores, estamos invadidos por numerosas actividades que, sin base científica, nos “las venden” como científicas. Entre estas podemos citar la relacionadas con la medicina (con la homeopatía, los movimientos anti-vacuna como actividades más destacadas o la mal llamada ‘medicina alternativa’) [1], que supone un peligro para la salud individual y colectiva; o falsas creencias (la astrología es un ejemplo significativo); o las religiones que se mezclan con la ciencia; entre otras.

1.4 El papel de los científicos.

Muchos científicos son responsables de la crisis por la que está pasando la ciencia. En este aspecto podemos destacar dos facetas: su resistencia a transmitir conocimiento (cultura científica) y la ‘exageración’ a la hora de destacar sus logros. En octubre de 2013, la revista The Economist publicó el extenso informe How Science goes Wrong sobre aspectos negativos para la ciencia, como la irreproducibilidad de resultados, la retirada de artículos por mostrar datos incorrectos, etc.

1.5 La política científica.

Por desgracia, en algunos países como el nuestro, la cultura, la educación y la ciencia nunca son prioridades políticas [2]. Comentar que debido a la gravísima crisis económica que estamos padeciendo, las inversiones en estas áreas han disminuido considerablemente. Para la ciencia esta situación es catastrófica, especialmente en dos aspectos. Por un lado, está produciendo que muchos proyectos de investigación se tienen que paralizar (así como el mantenimiento de grandes equipos) y será mucho más costoso y trabajoso si se tienen que retomar en el futuro. Por otro lado, la esperanza de los jóvenes de realizar una carrera científica se está viendo frustrada.

Por lo tanto, vista la situación de la ciencia actualmente, nos podemos preguntar si merece la pena hacer predicciones de futuro sobre la ciencia, su desarrollo y sus aplicaciones. Sin embargo, seremos optimistas y pensaremos que las deficiencias apuntadas en los párrafos anteriores son coyunturales y que habrá ciencia en el futuro. Antes de ir a las predicciones, conviene recordar los beneficios de la ciencia para la humanidad.

 

2          Lo que la ciencia nos proporciona.

Desde los albores de la humanidad con la generación y control del fuego, hemos visto progresos considerables que han desembocado en la situación actual con una civilización tecnológicamente muy desarrollada, en la que gracias a la ciencia tenemos:

2.1 Una vida más larga.

El aumento de la esperanza de vida al nacer se ha duplicado en poco más de 100 años, principalmente debido a los avances médicos basados en desarrollos científicos en diversas áreas.

2.2 La vida es más saludable.

Monitoriza nuestra salud. Proporciona medicinas que curan nuestras enfermedades, piezas de recambio para nuestro cuerpo, palia dolores y achaques.

2.3 Agua pura y potable.

Gracias a una combinación de procesos químicos y químico-físicos, disponemos de agua que podemos beber, usar para nuestra higiene o regar nuestras plantaciones.

2.4 Cuidado del ganado y animales de compañía.

El aumento en la esperanza de vida también se hace patente el resto de animales, en particular, el ganado y los animales de compañía.

2.5 Más y mejores alimentos.

Disponemos de campos más productivos y un ganado más cuidado. Una vez producido el alimento, lo podemos conservar más tiempo en mejores condiciones.

2.6 Nos proporciona energía.

Calor en invierno, frescor en verano, electricidad para la iluminación, nos permite circular en vehículos, etc.

2.7 Nuestra vida cotidiana es más cómoda.

Con el uso de electrodomésticos, la iluminación, el transporte, etc.

2.8 Objetos de nuestra vida cotidiana.

Hace que nuestras ropas y sus colores sean más resistentes y atractivos; mejora nuestro aspecto con perfumes, productos de higiene y de cosmética; contribuye en la limpieza del hogar y de nuestros utensilios; ayuda a mantener frescos nuestros alimentos; y prácticamente nos proporciona todos los artículos que usamos a diario.

2.9 Facilita el ocio.

Actividades como el deporte, la jardinería, la lectura, escuchar música, etc. le deben mucho a la ciencia.

2.10 Estar a la última en tecnología.

Disponer del ordenador más potente y ligero, el teléfono móvil más versátil y con una batería duradera y ligera, el sistema más moderno de iluminación, el medio de transporte adecuado, el material para batir marcas deportivas; y muchas aplicaciones más.

2.11 “Alimenta” el espíritu.

Este aspecto no hay que desdeñarlo. El ser humano es la única especie del planeta que puede disfrutar del placer de aprender, ahondar en el conocimiento. Esta es una faceta en la que la investigación básica juega un papel fundamental.

 

3          ¿Es la ciencia predecible? ¿Deben los científicos hacer predicciones?

La respuesta a la primera pregunta es SI y NO.

3.1 Ciencia predecible.

La ciencia predecible permite avanzar lento pero seguro; esto no es negativo, pues contribuye a satisfacer la mayoría de las necesidades del ser humano. La ciencia predecible es el resultado del diseño basado en el conocimiento previo. Por poner un ejemplo. Imaginemos que necesitamos una sustancia química para tratar una enfermedad y que este fármaco solo supone una ligera mejora respecto a lo anteriormente conocido (esta mejora puede ser debida a muchos factores: más actividad biológica, mayor facilidad de absorción, más fácil dosificación, más estabilidad in vivo, etc.) y que, con los conocimientos actuales de la química, podemos prepararla con ‘relativa’ facilidad. La ciencia lo hace y se consigue un ligero avance usando ciencia predecible.

3.2 Ciencia no predecible.

La ciencia no predecible es en la que se obtienen resultados inesperados. Una vez que se ha confirmado que los resultados son reproducibles, los científicos deben explicar estos resultados. Este tipo de resultados son los que dan origen a las revoluciones científicas. Como ejemplo nos puede servir todos los resultados sorprendentes que se obtuvieron a finales del siglo XIX y principios del siglo XX, como los descubrimientos de los rayos X y de la radiactividad, las pruebas de la existencia del electrón, el efecto fotoeléctrico, los experimentos de bombardeo de láminas metálica con partículas a, etc. Todos estos hallazgos requirieron el desarrollo de nuevas teorías para explicarlos, dando lugar al nacimiento de la mecánica cuántica.

3.3 ¿Deben los científicos predecir?

Por otro lado, ¿deben los científicos predecir? La respuesta es SI. Como Whitesides ha expuesto, hay varias razones [3]:

a) planificar nuestro trabajo

b) alimentar nuestra curiosidad

c) por razones filosóficas, pues la ciencia y la tecnología son importantes elementos culturales en nuestro tiempo y sociedad

d) por razones éticas: ¿qué investigación no deberíamos hacer?

e) los científicos y la ciencia se deben implicar en los cambios sociales

f) la sociedad espera que los científicos especulemos con el futuro.

 

4          El futuro: ciencia básica.

Aunque estamos jugando a adivino, los pronósticos se basan en algunos avances científicos recientes que deberán desarrollarse en las próximas décadas. Aunque en el título de este apartado se menciona la ‘ciencia básica’, estamos de acuerdo con la frase de Pasteur de que “no existen áreas de la ciencia a las que podamos llamar básica y aplicada, sino que existe la ciencia y sus aplicaciones”.

Sin embargo, como se discutirá en el apartado siguiente, la ciencia debería avanzar para satisfacer las necesidades del ser humano; pero siempre recordando que, históricamente, la inmensa mayoría de los dispositivos que usamos actualmente han surgido de investigaciones básicas que no pretendían ninguna aplicación práctica.

Actualmente en todas las ciencias se vive una situación ‘excitante’, con avances espectaculares recientes que deberían ser confirmados y desarrollados en las próximas décadas. A continuación, se apuntan algunas áreas de desarrollo futuro en las cinco ciencias básicas.

4.1 Física.

El principal objetivo de la física es, nada más y nada menos, que entender las leyes que rigen el universo y expresarlas en forma matemática. La confirmación experimental de la existencia del bosón de Higgs y los hallazgos que se están produciendo en el LHC y en otros aceleradores de partículas suponen un avance considerable en el modelo estándar que intenta explicar la interacción entre la materia y la energía desde el punto de vista de las interacciones fundamentales (electromagnetismo, nuclear fuerte y nuclear débil); pero aún queda mucho por descubrir. Algunos de los mayores avances en física estarán relacionados con la teoría cuántica de la gravitación (y la detección del gravitón, la partícula que media en esta interacción), la materia oscura, la energía oscura y el origen del universo. El reciente anuncio de la detección de ondas gravitacionales también es un progreso muy importante para entender el origen y destino del universo.

4.2 Biología.

El objetivo de la biología no es menos importante que el de la física: entender qué es la vida y su evolución. La biología moderna se sustenta en dos aproximaciones científicas: la evolutiva y la molecular, frecuentemente unidas. En los últimos años hemos presenciado avances espectaculares en la filogenética de numerosos seres vivos, especialmente del ser humano, basado en los progresos de la biología molecular. Este tipo de investigaciones, en la frontera entre la biología y la paleontología, se seguirá desarrollando en las próximas décadas. Recientemente se han publicado avances impresionantes en la denominada biología sintética. Dejando aparte denominaciones tan llamativas (y falsas) como “que los científicos juegan a ser Dios”, esta área científica puede ayudarnos a entender los aspectos básicos de lo que constituye la vida y su evolución.

4.3 Geología.

En geología se seguirá avanzando en la comprensión de las erupciones volcánicas y en los terremotos, que pueden servir para su predicción. La investigación de objetos extraterrestres supondrá un tema de interés para las próximas generaciones de geólogos.

4.4 Matemática.

La mayoría de los matemáticos seguirán investigando en temas que, aparentemente, no tienen aplicaciones prácticas; sin embargo, como se ha demostrado a lo largo de la historia, muchos desarrollos científicos en matemáticas han tenido aplicaciones en áreas científicas y tecnológicas en áreas muy distantes [4].

4.5 Química.

Finalmente, la química debería seguir cumpliendo el papel que lleva realizando desde hace más de 200 años: proporcionar los materiales que usamos en nuestra vida cotidiana (la química es la ciencia de las cosas cotidianas), lo que se discutirá más adelante. Sin embargo, la química también tiene que desarrollarse en algunos aspectos que establezcan de manera inequívoca sus fundamentos, (lo que ya ocurre en física). Este objetivo se logrará a través de la matematización de la química, lo que servirá para: a) establecer sus bases teóricas; b) interpretar más fácilmente los resultados; y c) aumentar el poder de predicción. Los avances en matemáticas, física y ciencias de la computación serán de gran ayuda para alcanzar estos objetivos. El desarrollo en el área frontera entre la química y las matemáticas también tiene implicaciones en la filosofía de la ciencia, pues puede ayudar a profundizar en las relaciones entre estas dos ciencias y la física (con las dos opciones extremas: el reduccionismo y el autonomismo).

 

5          El futuro: las aplicaciones de la química.

¿Qué debe hacer la ciencia, en general, y la química, en particular, en el futuro? La respuesta es fácil. Como en los dos últimos siglos: la química debe satisfacer las necesidades de la sociedad.

Aunque no sabemos cuales serán estas necesidades, podemos anticipar que, tal como está la sociedad actualmente, las áreas (muy amplias) que tendremos que atender son:

5.1 Energía.

Actualmente nuestra sociedad es consumidora en exceso de energía. Esto es consecuencia de nuestro progreso. La energía que consumimos procede principalmente de los combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón). Los inconvenientes son graves: recursos limitados, no renovables, y contaminantes. Además, desde el punto de vista químico, quemar derivados del petróleo supone que estamos gastando miles de compuestos químicos que suponen las materias primas con las que fabricamos bienes de consumo, principalmente los plásticos y polímeros con infinidad de aplicaciones. El futuro de la energía depende del uso de fuentes renovables de energía (por ejemplo, la solar), que convertiremos en electricidad. La química está desarrollando procesos y materiales con lo que se puede aprovechar más eficientemente la energía solar y almacenar de manera adecuada energía eléctrica (pilas, baterías, supercondensadores, células de combustible, etc.).

5.2 Medio ambiente.

El deterioro medioambiental está estrechamente relacionado con nuestro consumo excesivo de energía. Si conseguimos los objetivos indicados en el apartado anterior, también contribuiremos a resolver el problema medioambiental. Es indudable que parte de la culpa de la alta contaminación ambiental se debe al uso excesivo y no adecuado de sustancias químicas. La química contribuirá implantando procesos industriales que sean medioambientalmente más adecuado (la conocida como química verde y química sostenible), sustancias químicas menos perjudiciales e investigando métodos para eliminar contaminantes ambientales, como por ejemplo procesos que sean capaces de eliminar el dióxido de carbono o los óxidos de nitrógeno de la atmósfera.

5.3 Salud.

La química seguirá proporcionando compuestos biológicamente activos que se podrán usar como fármacos. También se desarrollarán biomateriales que servirán para reparar o reemplazar partes de nuestro cuerpo, un área de intenso desarrollo actualmente. Con sustancias químicas se estudiarán procesos biológicos con implicaciones en el desarrollo de enfermedades (la química como una herramienta en biomedicina).

5.4 Alimentos y agua.

La química seguirá contribuyendo a que los campos sean más productivos, mejoraremos la calidad de los alimentos, haciéndolos más seguros. Un aspecto importante es que tenemos que conseguir métodos de purificación de agua que sean transportables a cualquier lugar del planeta.

5.5 Materiales tecnológicos.

El futuro dependerá de tener instrumentos eficientes, pequeños y atractivos que sean útiles en nuestro trabajo, ocio y vida cotidiana. Dentro de estos desarrollos tenderemos a la miniaturización (la nanotecnología es el futuro y la química tiene mucho que aportar) en dispositivos electrónicos, mejores equipamientos deportivos y muchas más aplicaciones.

5.6 Aspectos sociales.

Además, la ciencia del siglo XXI tiene que cumplir una función social, contribuyendo a las acciones de igualdad (de género y entre países). Concretamente, la química debe contribuir a la mejora de las condiciones de vida (salud, higiene, alimentación, agua) de los países en vías de desarrollo.

Para lograr todos estos objetivos, miles de químicos de todo el mundo están investigando activamente para obtener y estudiar sustancias químicas (materiales y fármacos) con lo que abordar los retos indicados en los párrafos anteriores. Algunas áreas de desarrollo actualmente son:

-Máquinas moleculares

-Cristales líquidos más resistentes y energéticamente más adecuados

-Materiales con óptica no lineal

-Electrónica molecular

-Interruptores moleculares (en electrónica o en computación)

-Ordenadores moleculares

-Materiales quimioluminiscentes (conversión de energía química en luz)

-Diodos emisores de luz

-Antenas de luz (conversión de energía lumínica en química, centros fotosintéticos artificiales)

-Materiales nanoestructurados

-Equipos pequeños para monitorización (ambiental, salud, etc.)

-Almacenamiento y transporte de hidrógeno

-Almacenamiento y transporte de electricidad

-Producción eficiente de energía (con el menor impacto medioambiental)

-Convertidores de energía (química/lumínica/eléctrica).

-Nanocápsulas para transporte de fármacos

-Biomateriales: inertes biológicamente o que se integren en el tejido (funcionales)

-Purificación y potabilización de agua

-Fármacos para tratar enfermedades neurodegenerativas

-Compuestos para estudiar procesos biológicos con aplicaciones en biomedicina (interacción de proteínas, ácidos nucleicos, rutas de señalización, inmunología, etc.)

-Fármacos para tratar enfermedades raras

-Fármacos para tratar enfermedades de países en vías de desarrollo

Y todo esto, de manera eficaz; lo que, en química, significa: con el mínimo impacto ambiental, con el mayor aprovechamiento energético, y lo más barato posible.

 

6          Ciencia y futuro.

En este breve capítulo nos hemos atrevido a pronosticar algunos aspectos del futuro de la humanidad que dependerán del desarrollo científico y tecnológico. Estando de acuerdo con la frase (atribuida a Bohr) “hacer predicciones es difícil, especialmente sobre el futuro”, no queremos ponernos el gorro de futurólogos y lo apuntado en este capítulo debe considerarse especulativo.

Pero se puede afirmar que no sabemos cómo será el futuro de la humanidad, no sabemos cómo será el futuro de la ciencia, ni de la química; lo que sí sabemos es que SIN CIENCIA NO HAY FUTURO.

 

Notas:

[1] Realmente no hay alternativa a la medicina, por lo tanto este término es un oximoron.

[2] B. Herradón, Journal of Feelsynapsis 2013, # 11, 46. (JoF 2013, # 11, 46; http://jof.feelsynapsis.com/011/index.html )

[3] G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 3632.

[4] Este aspecto se discute en el artículo The unplanned impact of Mathematics, publicado en la revista Nature 2011, 475, 166. (Esta información está sacada de la página http://www.graphene-info.com/graphene-products).

 

 

Bernardo Herradón

Doctor en Química

IQOG - CSIC