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La ciencia básica y sus aplicaciones. Parte 1.

El Premio Nobel en una de las tres disciplinas científicas es el máximo galardón al que puede aspirar un científico. Todos los años, en la primera quincena de octubre se anuncia el nombre de los galardonados, los cuales reciben la distinción el 10 de diciembre, coincidiendo con el aniversario del fallecimiento de Alfred Nobel (en la imagen).

Estas fechas son importantes por sus repercusiones científica, mediática y social. Una actividad que pasa más desapercibida es la reunión que a finales de junio y principios de julio celebran varias decenas de Premios Nobel. Son las llamadas Reuniones de Galardonados con el Nobel en Lindau, o LNLM, según las siglas del término en inglés: Lindau Nobel Laureates Meeting. Este año el LNLM se celebrará entre el 30 de junio y el 5 de julio.

 

El LNLM se celebra de manera ininterrumpida desde el año 1951, celebrando este año su 63º edición, que está especialmente dedicada a la Química, con la participación de un total de 35 Premios Nobel (24 de Química, 6 de Física, 4 de Medicina/Fisiología y 1 de la Paz) y de 625 jóvenes investigadores de 78 países, como se ha descrito en un post anterior.

En este artículo quiero centrarme en la repercusión que la investigación de los participantes este año tienen sobre el bienestar del ser humano. Es bien conocido que, frecuentemente, las investigaciones merecedoras del Premio Nobel se pueden calificar como “ciencia básica”. A mí no me gusta la distinción entre “ciencia básica” y “ciencia aplicada” y me gusta citar la frase de Pasteur que se indica a continuación.

 

Aparte de contribuir considerablemente al avance de la ciencia, la investigación de gran calidad, que los galardonados con el premio Nobel han realizado, ha influido en nuestra calidad de vida en aspectos variados como nuestra salud, los productos de consumo, fertilizantes, catalizadores para automóviles, protección medioambiental, materiales de interés tecnológico o computación cuántica.

El trabajo de muchos de los Premios Nobel tienen impacto en la mejora de nuestra salud. Por ejemplo, la investigación de Walter Gilbert (Premio Nobel en 1980) ha permitido disponer de métodos para secuenciar ácidos nucleicos, que han sido valiosos para la secuenciación de genomas de especies, incluidas el ser humano.

 

Varios de los galardonados han realizado investigaciones en áreas frontera entre la Química y la Biología. Dos de los científicos participantes en el LNLM-13, Hartmut Michel y Robert Huber, fueron galardonados en 1988 por sus investigaciones que permitieron profundizar en el conocimiento sobre la fotosíntesis, el proceso que, usando la luz del Sol, convierte el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos y oxígeno; ambos fundamentales para nuestra existencia: los carbohidratos son la fuente primario de nuestra alimentación y el oxígeno nos permite respirar (y con ello, oxidar los alimentos para obtener energía). La energía química en las células se almacena principalmente en forma química, en la molécula de trifosfato de adenosina (adenosine triphosphate, ATP, ver imagen). La investigación de John E. Walker (Premio Nobel en 1997) ha revelado detalles de los procesos enzimáticos por los que se biosintetiza el ATP. La biosíntesis son un conjunto de reacciones químicas dentro de las células por las que se obtienen las moléculas. Estas reacciones químicas pueden ser aceleradas (es decir, se aumenta su velocidad de reacción) por la acción de otras sustancias químicas (que no se consumen en la reacción) que se denominan catalizadores. La inmensa mayoría de los catalizadores en bioquímica son proteínas que se denominan enzimas. La investigación de Edmond H. Fischer (Premio Nobel en Medicina/Fisiología en 1992) también está relacionada con procesos enzimáticos que “quitan” y “ponen” grupos fosfato en las proteínas, denominados fosforilacion y desfosforilación, respectivamente. Estos mecanismos son esenciales en los procesos fisiológicos, pues permiten enviar señales moleculares dentro de las células y entre las células de un organismo (señalizació y mensajería celulares).

 

 

Las reacciones químicas dentro de las células se producen en agua, una molécula fundamental. Dos tercios de nuestro organismo está formado por agua; continuamente estamos absorbiendo y eliminando agua; algunos de nuestros órganos, especialmente los riñones, son capaces de filtrar centenares de litros de agua diariamente. El agua es una molécula polar y, por supuesto, hidrófila (que le “gusta” interaccionar con otras moléculas de agua). Por otro lado, la membrana celular (que separa el interior de la célula del medio circundante) está formada por moléculas muy distintas al agua, son moléculas hidrófobas y apolares, es decir que repelen al agua. Entonces, ¿cómo es posible que el agua pueda cruzar las membranas celulares? Desde hace tiempo se sospechaba que este transporte se producía a través de una serie de canales específicos para el agua; pero hasta 1988 no se consiguió el primero de estos canales, una proteína de membrana, aislada y caracterizada por Peter Agree, que recibió el Premio Nobel (2003) por estas investigaciones. Con esta investigación se empezó a comprender este importante fenómeno fisiológico, que tiene implicaciones en el estudio de bacterias, plantas, animales y que para el ser humano puede servir para entender algunos procesos patológicos. La investigación de Erwin Neher (Premio Nobel de Medicina/Fisiología en 1991) está relacionada; Neher fue un pionero en el estudio de los canales iónicos (por los que se transportan iones) en las membranas celulares y su relevancia en el desarrollo de ciertas enfermedades como la diabetes, fibrosis cística y desórdenes neuronales y cardiacos.

La maquinaria celular está continuamente biosintetizando y degradando proteínas. Estos últimos procesos son catalizadas por un tipo de enzimas denominadas proteasas. El Premio Nobel de 2004 fue galardonado a investigaciones realizadas para elucidar los mecanismos por los que las proteínas son degradadas, especialmente la estructura y función del proteasoma, un conjunto de enzimas degradadoras de proteínas, especialmente el papel de la ubiquitina (en la imagen; fuente: Wikipedia), una proteína pequeña señalizadora que es capaz de dirigir las proteínas no deseadas (que están en exceso en la célula) al proteasoma. Dos de los galardonados (Avram Hershko y Aaron Ciechanover) por estas investigaciones estarán presentes en el LNLM-13.

La investigación de Martin Chalfie (Premio Nobel en 2008) también está, en cierto modo, relacionada con la señalización celular. Se conoce desde hace mucho tiempo que ciertos organismos son luminiscentes (emiten luz de manera natural). La investigación de Chalfie permitió profundizar en el mecanismo de este proceso y su base genética, identificando la conocida como proteína verde fluorescente (green fluorescente proteína, GFP). Una consecuencia de esta investigación es que el gen que codifica GFP se puede insertar en otros organismos, por lo que se pueden visualizar procesos fisiológicos usando la GFP como señalizador, tanto en organismos unicelulares como pluricelulares, como algunos de los ratones de la imagen (Fuente: Wikipedia). Esta es una herramienta muy poderosa en investigación biomédica. La investigación de Ada Yonath (Premio Nobel en 2009) ha permitido conocer algunos de los mecanismos fundamentales que operan en todos los seres vivos: la biosíntesis de proteínas (ya mencionada anteriormente). Yonath ha estudiado la estructura, a resolución atómica, del ribosoma; que es un orgánulo celular en el que se “lee” la información codificada en el ácido ribonucleico mensajero (mRNA), que a su vez, se ha codificado en el gen correspondiente, un fragmento del ácido desoxirribonucleico (DNA). Es bien conocido que la información genética transcurre en la secuencia DNA ➛ mRNA ➛ proteína (lo que constituye el dogma de la biología molecular, propuesto por Francis Crick en 1958), siendo las proteínas los productos finales del genoma. La investigación de Yonath ha permitido conocer los detalles de este importante proceso biológico y constituyen la base del desarrollo de nuevos antibióticos.

 

Finalmente, la investigación de Brian Kobilka (Premio Nobel en 2002) ha abordado la estructura y función de los receptores acoplados a proteína G (G-protein-coupled receptor, GPCR) que son unas proteínas presentes en las membranas celulares que se activan por la presencia de ciertas moléculas. Existen numerosos GRCRs, específicos de una molécula o de un grupo de moléculas, que son los responsables de comenzar la cascada de señalización celular. Estos procesos tienen una inmensa relevancia fisiológica y, cuando no funcionan adecuadamente, son responsables de algunos estados patológicos. Los GPCRs se han tratado en este post y en varios programas del espacio “La ciencia cotidiana” del programa de radio “A Hombros de Gigantes” (ver enlace más abajo).

En un próximo post explicaré la investigación de los otros participantes en el LNLM-13 y como han impactado en nuestra sociedad.

Sobre el LNLM y la relevancia que la investigación de los Premios Nobel tiene en nuestra sociedad he hablado en tres programas de radio (uno ya emitido y otros dos grabados para emitir durante el LNLM-13). Los enlaces a lo programas se pueden descargar aquí (El Nanoscopio) y aquí (A Hombros de Gigantes, a partir del 1 y 8 de julio, respectivamente).

Nota: Este post se ha publicado originalmente en el blog del LNLM-13 y ha participado en el XXVI Carnaval de Química, que aloja el excelente blog El Cuaderno de Calpurnia Tate.

 

 

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

Matemáticas y química: una relación necesaria.

No sé si las matemáticas necesitan a la química. De lo que estoy convencido es que la química necesita a las matemáticas. En los próximos 20 al 22 de junio se celebrará un workshop internacional en la Universidad de Zaragoza, organizado por el Instituto Universitario de Matemáticas y  Aplicaciones (IUMA). El tema de la reunión será las relaciones entre las matemáticas y la química. Espero que en ese congreso se planteen problemas químicos que puedan interesar a los matemáticos. El programa y el resumen de las ponencias se pueden descargar aquí.

Por mi parte, participaré con una conferencia en la que haré un repaso de la situación actual de la química, sus relaciones históricas con otras ciencias, especialmente con la física, su relación actual con las matemáticas, destacando lo mucho que las matemáticas están aportando actualmente a la química. A continuación, expondré algunos resultados recientes de mi grupo en el área de la química computacional, especialmente en la cuantificación de la aromaticidad a través de las redes neuronales, una herramienta de las matemáticas computacionales con aplicaciones en múltiples campos (metereología, economía, ciencias computacionales, etc.) en los que se manejan cantidades enormes de datos. Finalizaré mi intervención exponiendo mis ideas sobre lo que la química puede aportar al futuro bienestar de la humanidad, así como el papel que las matemáticas pueden tener en el futuro de la química; y, por lo tanto, de la humanidad.

En el congreso se pondrá de manifiesto lo que ya es una evidencia en la literatura científics: la interacción entre la química y las matemáticas está creando un área científica multidisciplinar, que está adquiriendo una gran relevancia científica, especialmente para la química.

Como bien saben los lectores de este blog, frecuentemenete cito a la química como la ciencia central que interacciona con otras ciencias, desde la física hasta la geología o la agricultura (ver imagen). Esta centralidad de la química significa que muchas veces la otra ciencia usa métodos y materiales (proporcionados por la química) para realizar avances (¿se pueden imaginar los avances en biología molecular o biomedicina sin el empleo de sustancias químicas?). Este aspecto se ve reflejado por el sentido de la flecha que une a la química a la otra ciencia. Por otro lado, la centralidad de la química también se manifiesta cuando dos ciencias aparentemente lejanas interaccionan entre ellas; frecuentemente lo tienen que hacer a nivel íntimo de la materia, es decir a través de átomos y moléculas, el terreno de la química.

La relación de la química con la física es algo especial. Como se observa en la figura, la flecha que une estas dos ciencias es de doble punta. Esto significa que la químca hace aportaciones a la física (como las indicadas en el párrafo anterior), pero la física proporciona la mayor parte del bagaje teórico de la química.

Y ¿qué pasa con la relación entre la química y las matemáticas? El sentido de la flecha es desde las matemáticas a la química; lo que significa que la química prácticamente no ha hecho aportaciones a las matemáticas. La química indudablemente usa las matemáticas continuamente. En la imagen siguiente se indican algunas de las aportaciones de las matemáticas a la química, tanto actuales (en azul) como esperables (en rojo).

Sin embargo, ¿qué tipo de uso hace la química de las matemáticas? ¿Qué responderían los químicos si les preguntásemos si necesitan las matemáticas para su investigación? La mayoría, independientemente del área (considero sólo las 4 grandes y clásicas divisiones de la química: analítica, física, inorgánica y orgánica), responderían que usan las matemáticas para hacer cálculos (estequiometría, rendimientos, despejar alguna incógnita, etc.; es decir, aritmética y álgebra elementales), algún ajuste estadístico (principalmente los químicos analíticos interesados en quimiometría), y algún químico-físico podrá decir que  unas matemáticas “más sofisticadas” (un poco de análisis matemático) para explicar los resultados experimentales o avanzar en aspectos teóricos.

Desde mediados del siglo XIX, especialmente debido al gran desarrolo de la síntesis orgánica, la química ha proporcionado infinidad de sustancias con las que se han hecho los materiales que facilitan nuestra existencia, desde medicamentos hasta material para electrónica, pasando por alimentos, ropa y energía, entre otros. Estos enormes avances indican que la química es una ciencia madura capaz de obtener prácticamente todo lo que se proponga.

Sin embargo, aunque parezca contradictiorio, la química es, en cierto sentido, una ciencia aún inmadura; con muchos conceptos fundamentales pendiente de ser definidos y cuantificado de manera rigurosa. Algunos de estos conceptos son los siguientes: estructura química (sabemos dibujarla, determinarla y un montón de cosas más, pero nos falta fundamento), orbital (¿existen realmente? y si existen, ¿qué significa?), enlace (¿de dónde procede su estabilidad?), electronegatividad, conjugación, aromaticidad, hiperconjugaciónefectos estereoelectrónicos, periodicidad de las propiedades químicas (tenemos que explicar mejor la Tabla Periódica), efectos relativistas, y muchos más.

Cunado establezcamos los fundamentos sólidos de la química, seremos capaces de decidir si la química es realmente una ciencia autónoma o es, más bien, una parte de la física. Y además, podremos preguntarnos si, por similitud con la física y las matemáticas, ¿existe una filosofía química? Esta pregunta está relacionada con un aspecto importante de la filosofía de la ciencia.

Creo que las matemáticas pueden ayudar a establecer estos conceptos fundamentales. Para ello, tenemos que conseguir la matematización de la química. Otros beneficios de esta relación será que la química podrá explicar mejor los resultados experimentales y tendrá mayor capacidad de predición de las propiedades de las moléculas y de los materiales que con ellas se fabriquen.

Ahora sólo falta que los químicos proporcionemos temas interesantes de investigación a los matemáticos y que la flecha que une las dos ciencais sea de doble punta.

Nota. Esta entrada participa en la  3,14159 Edición del Carnaval de Matemáticas que aloja José Lopez Nicolás en su blog Scientia; y en la XVI Edición del Carnaval de Química que aloja Dr. Litos (alter ego de Bataman, el superhéroe de la ciencia) en su blog ¡Jindetrés, sal!.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

Math & Chem: An International Workshop

El Instituto Universitario de Matemáticas y Aplicaciones (IUMA) de la Universidad de Zaragoza organiza un congreso internacional sobre Matemática y Química. La información del mismo se puede encontrar aquí. El congreso tendrá lugar en la Universidad de Zaragoza entre el 20 y 22 de junio y contará con destacados investigadores que hablarán sobre diversos aspectos relacionados con la química matemática y áreas relacionadas. El programa completo del congreso se puede descargar aquí.

postermathschemistry

Los objetivos del congreso se indican a continuación.

Mathematical chemistry is a truly interdisciplinary subject, a field of rapidly growing importance. Chemistry needs mathematically rigorous studies. The level of complexity of chemical problems is often very high and require mathematical approaches. The WS pretends to put in contact scientists in different areas, mainly mathematicians and chemists, to analyze actual problems and how Maths can help in searching solutions for them. In this case several topics, between others, which will be treated are

  • Nonlinear Mathematical Mechanics, Partial Differential Equations, in particular Navier-Stokes equations.
  • Mathematical Fluid Dynamics.
  • Analytic approximations for differential equations from physics, chemistry, and biology.
  • Genetic regulatory networks and metabolic networks.
  • New mathematical models in chemistry and biology.
  • Historical perspectives.
  • …….
Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

Fármacos, nanomedicina y biomateriales.

Los próximos 24 y 25 de abril tendrá lugar en la sede de Real Academia de Farmacia, el Simposio Internacional sobre Fármacos, nanomedicina y biomateriales: un objetivo común; organizado por la profesora María Vallet-Regí (Facultad de Farmacia, Universidad Complutense de Madrid). La asistencia es gratuíta, pero es conveniente inscribirse (a través del folleto informativo, ver más abajo).

Este Simposio versará sobre fármacos, nanomedicina y biomateriales, como lugar de encuentro en la búsqueda y consecución de un objetivo común: remediar el dolor, la enfermedad, y el deterioro de nuestros cuerpos, en aras de la consecución de una mejor calidad de vida. Se desarrollarán ponencias sobre como:

• Diseñar nanoestructuras para mejorar la administración de fármacos.

Evitar efectos secundarios no deseados durante la administración de fármacos citotóxicos.

• Diseñar nanopartículas como elementos para dispositivos destinados a lograr una liberación de fármacos altamente tóxicos, de forma que se dirijan directamente hacia los tumores, y de esta forma se consigan emplear dosis adecuadas, mínimas con respecto a las empleadas en quimioterapia, que garanticen la muerte de las células tumorales sin afectar a las sanas.

• La nanotecnología se está desarrollando de forma acelerada e incesante hacia la prevención y tratamiento de enfermedades infecciosas y agresivas que no se pueden tratar con éxito con las técnicas convencionales.

• Los avances incesantes en la preparación de nanosistemas con aplicaciones en el campo de la medicina han dado lugar a nuevos retos en el diseño de materiales inteligentes capaces de responder a las exigencias clínicas.

• Diseñar dispositivos y técnicas para lograr imágenes del tejido tumoral.

• Fabricar, cuando sea necesario, piezas de repuesto para el cuerpo humano utilizando la ingeniería de tejidos y la terapia celular.

Para más información se puede descargar el folleto informativo con el programa detallado de las ponencias.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

Importante Congreso sobre Estereoquímica

46th EUCHEM CONFERENCE ON STEREOCHEMISTRY: THE BÜRGENSTOCK CONFERENCE

Dra. Mª Paz Muñoz

 

Este año he tenido la inmensa suerte de poder asistir a la 46 edición de la Conferencia EUCHEM sobre Estereoquímica, más conocida con el nombre de la Conferencia Bürgenstock (http://www.stereochemistry-buergenstock.ch), con una de las 16 becas JSP (Junior Scientist Participation Program) otorgadas por el comité organizador. Bernardo me ha pedido que os cuente mi experiencia allí para dar más a conocer este fantástico congreso, y como ha sido tan positiva, he accedido a su petición, por supuesto con el consentimiento del presidente de este año.

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