La química y el medio ambiente

La copia en PDF de la presentación  de la charla en el IES-Ramiro de Maeztu del día 19 de enero de 2010 se puede descargar en  “La Química y el Medio Ambiente: Aspectos tóxicos de los compuestos químicos”

En esta presentación se abordan distintos aspectos tóxicos y medioambientales de los compuestos químicos, resaltando el papel que esta situación tiene sobre la “imagen social de la química”.

Puesto que todo es química, también la contaminación ambiental tiene carácter químico. En una próxima charla se abordará el papel que la química tiene para ayudar a resolver este problema.

Algunos  aspectos tratados en esta charla son:

1) Química y medio ambiente.

2) Mala imagen social de la química.

3) Toxicidad selectiva. Importancia de la concentración, un concepto frecuentemente olvidado en las noticias sobre química.

4) Relación de las ciencias y el medio ambiente.

5) Contaminantes ambientales.

6) Cambio climático.

7) Efecto invernadero. Gases de efecto invernadero.

8 ) El ozono. Química atmosférica.

9) El problema del CO2. Posibles soluciones.

10) ¿Qué podemos hacer? Actuaciones a diversos niveles: individuales, colectivos, institucionales, globales.

11) Protocolo de Kyoto, cumbre de Copenhaguen, convenio de Estocolmo, REACH.

12) Los compuestos orgánicos persistentes (COPs, POPs) y los aspirantes. EStructuras químicas. Efectos biológicos.

13)  El agua.

14) Lo que la química puede hacer por resolver el problema (introducción  a la siguiente charla).

Bernardo Herradón

IQOG-CSIC

herradon@iqog.csic.es

Nirenberg: Un bioquímico precursor de la biología molecular.

El pasado día 15 falleció Marshall W. Nirenberg, Premio Nobel de Medicina o Fisiología en 1968, por su contribución al desciframiento del código genético. Nirenberg ha sido uno de los científicos más destacados del siglo XX y en su grupo se realizaron algunos de los experimentos más importantes y bellos de la historia de la ciencia. Los resultados obtenidos por Nirenberg y otros científicos (Ochoa entre ellos) a principios de los años 1960s demostraron el “dogma” de la biología molecular y caracterizaron la relación entre la secuencia de bases de un gen y la secuencia de aminoácidos de una proteína. Descanse en paz.

Nirenberg, nacido en Nueva York (1927), se licenció en Zoología y Química (¡una combinación curiosa!) por la Universidad de Florida.  Realizó la tesis doctoral en química biológica en la Universidad de Michigan (1957). Realizó una estancia postdoctoral en el Instituto  Nacional de Artritis y Enfermedades Metabólicas del NIH (Nacional Institute of Health), donde permaneció el resto de su carrera científica.

Desde su incorporación al NIH, empezó a investigar la existencia de mRNA y su papel en la síntesis de proteínas (para confirmar la propuesta del “dogma de la biología molecular” de Francis Crick) y con su colaborador Heinrich Matthaei desarrolló una técnica que permitía detectar la síntesis de proteína en acción, a través del estudio de la  incorporación de aminoácidos radioactivos en proteínas. Esta técnica les permitió  realizar alguno de los experimentos más espectaculares de la historia de la ciencia al demostrar (en el primer experimento de la serie) que el ácido poliuridílico [un RNA sólo con nucleótidos con uracilo (U) como única base] es un precursor de polifenilalanina.

En esa época se estableció una carrera entre diversos grupos de investigación (entre los que destacaba el de Severo Ochoa) por descifrar el código genético, siendo el de Nirenberg el primero en conseguirlo. A partir de ahí, la historia es conocida…

Nirenberg recibió el Premio Nobel de Medicina en 1968, compartiéndolo con Holley y Khorana (dos químicos). ¡La época en la que los químicos eran galardonados con los Premios Nobel de Medicina!

Recientemente (Noviembre de 2009) la ACS (American Chemical Society) ha elegido “el desciframiento del código genético” como uno de los “acontecimientos químicos relevantes” (Nacional Historic Chemical Landmark). Curiosamente, fue el primer empleado del gobierno federal de Estados Unidos galardonado con un Premio Nobel. EL NIH tiene una página web con numerosa información sobre la vida e investigación de Nirenberg y, en 2004, publicó un artículo personal sobre sus investigaciones en Trends Biochem. Sci. 2004, 29, 46.

Sobre las revistas científicas y su impacto


En el diario PÚBLICO de hoy se ha publicado el artículo “Contra los muros de la ciencia”, dónde se citan algunos ejemplos de investigación importantes en ciencia que no pudieron ser publicado (o con dificultades) en revistas del máximo impacto. Aunque el artículo no entra a analizar a fondo este asunto tan importante de la difusión de los resultados de la investigación científica, me da pie para tratar este tema.

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La rapamicina y los avances científicos del año 2009

Bernardo Herradón

Instituto de Química Orgánica General (CSIC)

herradon@iqog.csic.es

En diciembre solemos hacer balance de lo que ha sido el año. Las revistas científicas más prestigiosas hacen una selección de los avances científicos más relevantes con titulares muy significativos. La revista Science ha publicado The Breakthroughs of 2009 (edición del 18 de diciembre).

La lista de la selección se indica más adelante y, como es habitual en los últimos años, la lista está dominada por descubrimientos en biomedicina, ciencia de materiales, astrofísica y paleontología. Ocultas en estas áreas siempre hay importantes aportaciones de la química. Este año se incluyen: la existencia de agua (¿la molécula másimportante?) en la luna, aplicaciones tecnológicas del grafeno (una macromolécula aromática relacionada con el grafito, formada por una monocapa de carbono puro), estudio del receptor del ácido abscísico (un sesquiterpeno con actividad hormonal en planta), la creación de monopolos magnéticos de titanato de lantánido, y una nueva actividad biológica de rapamicina (rapamycin); de la que tratará este artículo.

La rapamicina es un producto natural aislado de un microorganismo del suelo de la Isla de Pascua (“Rapa Nui”, de ahí su nombre). La rapamicina, junto al FK506 y la ciclosporina, fue una de las moléculas de moda de los años 1980s-1990s y que contribuyeron a crear el área de la biología química (Chemical Biology). La estructura delos tres compuestos se indica en la siguiente figura.

productos naturale inmunosupresores

Desde tiempo inmemorial, los cirujanos han pensado en la posibilidad de trasplantar órganos en seres humanos. Durante muchos años, todos los ensayos realizados con animalesc ondujeron al fracaso lo que llevó a pensar que había un factor biológico responsable del rechazo del órgano por el organismo huésped. Alexis Carrell (Premio Nobel de Medicina en 1912) propuso estudiar la relación biológica entre los tejidos del organismo. Se consiguieron grandes avances a través de las investigaciones de Peter B. Medawar y de Frank M. Burnet (Premios Nobel de Medicina en 1960) que, junto a otros investigadores, descubrieron que los anticuerpos y los linfocitos destruyen las células del órgano trasplantado. Estas investigaciones fueron fundamentales en el desarrollo de la inmunología, identificándose dos sistemas defensivos en el organismo: el humoral, basado en la relación antígeno-anticuerpo, y el celular, basado en los linfocitos. A partir de estos estudios y los de Joseph E. Murray y E. Donnall Thomas (Premios Nobel de Medicina en 1990) se empezó a plantear la posibilidad de que el rechazo en los trasplantes podría ser evitado usando fármacos con actividad inmunosupresora. Hasta comienzo de la década de 1970s no había ningún compuesto con esta actividad específica; por lo que basándose en la teoría del antimetabolito (¡una gran idea con una base química sólida!, propuesta y desarrollada por Hitchings y Ellion, Premios Nobel de Medicina en 1988), Thomas empezó a usar antimetabolitos con actividades citostáticas, como azathioprino y metotrexato, como fármacos para evitar el rechazo en trasplantes.

En 1971, investigadores de Sandoz (actualmente una parte de Novartis) aislaron laciclosporina A de un cultivo del microorganismo Trichoderma polysporum (LINK ex PERS.) Rifai (publicado en Helv. Chim. Acta 1976, 59,1075). En principio, los investigadores de Sandoz buscaban compuestos con actividad antibacteriana, pero la ciclosporina A no la tenía. En vez de abandonar el proyecto, se continuó investigando este producto natural (posiblemente atraídos por su interesante y, en aquel momento, novedosa estructura química, ver imagen) y se encontró que tenía actividad inmunosupresora. En 1978 se ensayó como medicamento en trasplante de riñón y en 1983 se empezó a comercializar, abriendo una nueva era en el área de los trasplantes de órgano. Sin embargo, la ciclosporina presenta ciertos inconvenientes (toxicidad, la administración y dosificación tienen que estar estrictamente controladas y aumenta el riesgo de desarrollar cáncer), por lo que la búsqueda de mejores agentes inmunosupresores debía continuar.

En 1987 se aisló el FK506 (por investigadores de Fujisawa Pharmaceutical) de un cultivo de Streptomyces tsukubaensis (J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 5031). En 1989 se realizaron los ensayos clínicos con resultados espectaculares: era mucho más potente que la ciclosporina A y aunque también podía producir cáncer, este efecto indeseado era mucho menor que en ciclosporina. Este compuesto mereció los calificativos de medicamento “maravilloso” o “milagroso”.

El FK506 es un producto natural con alta complejidad estructural (ver imagen). El trabajo realizado en Fujisawa es un buen ejemplo de investigación moderna en química de productos naturales, dónde el aislamiento de compuestos está guiado por ensayos de bioactividad. En este caso, se estaba buscando actividad inmunosupresora y se dio en la diana. Se aisló un producto natural de estructura compleja con actividad biológica potente, interesante y necesaria para el avance de la humanidad. Con este compuesto (y muchos análogos que se prepararon) se profundizó en diversas áreas entre la química y la biología celular (dando lugar al nacimiento de la biología química moderna, como indicado anteriormente). Se consiguieron avances en:

a) Síntesis orgánica.

b) Química supramolecular, especialmente en el área de las interacciones no covalentes entre ligandos y proteínas.

c) Mecanismo de acción y bioquímica de productos naturales.

d) Identificación de los eventos moleculares responsables de la respuesta inmunológica (inmunología molecular).

e) Identificación de dianas terapéuticas en el área de la inmunología.

f) Diseño y síntesis de fármacos con actividad inmunomoduladora.

g) Profundización en el mecanismo molecular de transducción de señales; un aspecto importantísimo de la biología celular y de organismos, pero poco estudiado a nivel molecular.

Todos estos avances fueron debido a que los químicos y biólogos disponían de una amplia variedad de moléculas para estudiar su efecto biológico y es un ejemplo de una de las grandes aportaciones (casi siempre ignorada o minusvalorada) de la química al desarrollo de la biología: aportamos la herramienta para el estudiode los procesos biológicos. Entre los investigadores responsables de estosavances, hay que destacar principalmente al profesor Stuart L. Schreiber (Harvard University).


La rapamicina, “avance científico en 2009”, fue aislada y caracterizada en 1975 por investigadores de Ayerst Laboratories (actualmente Wyeth) de un cultivo de Streptomyces hygroscopicus (J. Antibiotics 1975, 28, 721, 727). Los ensayos biológicos iniciales indicaban que tenía actividades antifúngicas y antibacterianas débiles (buscado en aquel momento); lo que, en principio, descartaba su utilidad terapéutica. Sin embargo, el aislamiento y actividad biológica de FK506 (12 años después) hizo que se retomase el estudio de la rapamicina como posible agente inmunosupresor debido a la alta similitud estructural entre las dos moléculas (ver imagen). Es interesante observar (búsqueda bibliográfica a través del ISI-WoK, ver la siguiente imagen) que hasta 1991 las publicaciones sobre rapamicina fueron muy escasas, pero ya había alguna publicación sobre la actividad inmunosupresora potencial en 1977 (Can. J Phys. Pharmacol. 1977, 55, 48). En investigaciones posteriores a 1990, se encontró que, efectivamente, la rapamicina es inmunosupresora con muy alta actividad y, además, tiene una gran actividad antiproliferativa lo que le convierte enagente anticancerígeno y, por lo tanto, con mejor perfil terapéutico que elFK506. La rapamicina fue aprobada como medicamento en USA (1999) y en Europa(2000).


citas_isiwok_rapamicina

De esta manera, los químicos y biólogos tenían tres moléculas (ciclosporina A, FK506 y rapamicina) que son herramientas útiles para estudiar procesos biológicos. Cuando se profundizó en el mecanismo de acción de estos tres compuestos se encontraron bastantes similitudes, pero también diferencias sutiles y, en cierto modo, inesperadas. Estas moléculas se unen, dentro de la célula, a  proteínas receptoras, denominadas conjuntamente como inmunofilinas. El FK506 y la rapamicina se unen a la misma proteína, la FKBP12 (FK-binding proteína) y la ciclosporina A se une a una proteína similar, la ciclofilina. Estas dos proteínas tienen actividad de rotamasa, es decir, son capaces de catalizar la isomerizacióncis-trans de un enlace peptídico de prolina; aunque esta actividad no es la responsable de la actividad inmunosupresora. El complejo inmunosupresor-inmunofilina es el responsablede la actividad biológica.


Una vez formado el complejo, se encontró que el de FK506 y el de ciclosporina A prácticamente comparten el mismo mecanismo molecular de inmunosupresión, inhibiendo la calcineurina, que es una proteína señalizadora necesaria para promover una respuesta inmunológica a través de la activación transcripcional del gen de lainterleuquina-2 (interleukin-2, IL-2).

Por otro lado, el complejo rapamicina-FKB12 actúa por un mecanismo distinto, interaccionando con la proteína mTOR (mammalian target of rapamycin). mTOR interviene en una ruta distinta de transducción de señales, la cual es necesaria para la evolución de la fase G(1) a S del ciclo celular de las células T estimuladas por IL-2.

Lo sorprendente de estos resultados es que dos compuestos muy distintos estructuralmente comparten mecanismo y los dos más parecidos (rapamicina y FK506) actúan por mecanismos muy distintos; lo que es un reflejo de la complejidad y sutileza de los mecanismos de los procesos biológicos, que comienzan con un proceso de reconocimiento molecular entre el anfitrión (una biomacromolécula) y el huésped (una molécula pequeña o una macromolécula).

La lección que se aprende de este tipo de resultados es que aún tenemos que hacer mucha investigación básica para entender la naturaleza.

La rapamicina y la prolongación de la vida.

Uno de los artículo científicos relevantes del año 2009 fue el hallazgo de que la inhibición de la ruta de señalización de señales promovida por TOR extiende lavida en mamíferos (Nature 2009, 460, 392), lo que ya era conocido en invertebrados. En dicho artículo se usa rapamicina como herramienta de trabajo para probar esta hipótesis, realizándose experimentos con ratones; encontrándose un aumento de edad de vida del 14% entre el género femenino y del 9% en el masculino. Se propone que rapamicina puede extender la vida por varios posibles mecanismos, bien evitando la muerte por cáncer o retrasando el envejecimiento o ambos. Con estas investigaciones se abren vías interesantes de investigación sobre el envejecimiento, dónde las moléculas (y la química) deberían jugar un papel fundamental.

Esta noticia publicada en una revista de máximo prestigio debería ser tema de conversación entre la población con interés en vivir más tiempo (¿se acuerdan de la multitud de noticias que generó el Revidox hace unos meses? Se anunció como un producto que retrasaba el envejecimiento y supuso su venta masiva durante semanas, agotándose en todas las farmacias, aunque es un producto de parafarmacia). Es importante recordar que la rapamicina es un agente inmunosupresor, por lo que su administraciónn hace que el organismo sea mucho más susceptible a infecciones.



Lecturas recomendadas.

Natural products as probes of cellular function: Studies of immunophilins. M. K. Rosen y S. L. Schreiber. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1992, 32, 384.

The TOR pathway: A target for cancer therapy. M.-A. Bjornsti y P. J. Houghton. Nature Rev. Cancer 2004,4, 335.

Capítulo dedicado a los inmunosupresores del libro Molecules that Changed the World (Nicolaou y Montagnon, 2008).

Avances científicos más relevantes del año 2009 según la revista Science.

1)   Homínido más antiguo (Ardipithecus ramidus), conocido como Ardi.

2)   Detección de púlsares de rayos gamma.

3)   Receptores del ácido abscisico en plantas.

4)   Creación de monopolos dentro de cristales magnéticos (de titanato de holmio o de titanato de disprosio).

5)   La rapamicina es capaz de prolongar la vida de mamíferos (ratones) adultos.

6)   Agua helada en la Luna.

7)   Diversos avances en terapia génica.

8)   Transistores de grafeno.

9)   Reparación del telescopio espacial Hubble.

10)  Láser de rayos X (lo que puede ser muy útil para estudiar la dinámica de las reacciones químicas).

Selección de la revista Nature.

La revista Nature (24 de diciembre de 2009) también ha hecho su selección de lo mejor del año (ResearchHighlights), dónde, excepto por Ardi, no hay coincidencia con la elección de Science. Uno de los artículos elegidos (J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 2159) es de química, sobre la preparación de compuestos organometálicos capaces de formar estructuras porosas con alta capacidad de absorción de hidrógeno, que serán la base de materiales útiles en la futura economía basada en el hidrógeno. La revista Nature también destaca que la presencia de ciertas bases nucleicas modificadas (derivadas de timinao de citosina) pueden regular la actividad génica (publicado en Science 2009, 324, 930).

La rapamicina y los avances científicos del año 2009


En diciembre solemos hacer balance de lo que ha sido el año. Las revistas científicas más prestigiosas hacen una selección de los avances científicos más relevantes con titulares muy significativos. La revista Science ha publicado The Breakthroughs of 2009 (edición del 18 de diciembre).

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Ciencia y crisis

Ciencia y crisis

Bernardo Herradón

(herradon@iqog.csic.es)

En el último número de la revista de la Sociedad Española de Bioquímica y Biología Molecular (SEBBM) se han publicado una serie de artículos reflexionando sobre la ciencia en época de crisis económica. Todos los artículos son muy interesantes;  pero para el tema de esta página web, recomiendo especialmente el escrito por el profesor Cossío, dónde se citan tres ejemplos de avances de la química que impactaron en la sociedad (investigaciones de Lavoisier, de Pasteur y de Fawcett y Gibson) y que se produjeron en épocas de crisis económicas, sociales y políticas muy severas.

Los artículos y autores son:

Ciencia y crisis: ¿déjà vu o jamais vu? (Javier López Facal).

Estrategia, en crisis, del desarrollo científico y tecnológico español (Uxío Labarta).

Crisis y ciencia: algunas reflexiones desde el pasado y el presente (Fernando P. Cossío).

Ciencia para una buena crisis (Xavier Obradors).

La escasa incidencia de la I+D pública en la innovación de las empresas españolas (Ignacio Fernández de Lucio).

Consideraciones sobre los recursos destinados a I+D+i en el proyecto de PGE 2010 desde la perspectiva de la comunidad científica (José Molero y otros).

Una de las reflexiones que surgen de estos artículos es si seremos capaces de cambiar nuestro modelo científico durante esta crisis económica. A lo que añadiría: ¿Seremos capaces de cambiar la mentalidad de los ciudadanos, políticos y empresarios de este país y convencerles de que el cambio del modelo económico y la mejor salida de la crisis será apoyando la ciencia? ¿Podremos?…….

Ciencia y crisis


En el último número de la revista de la Sociedad Española de Bioquímica y Biología Molecular (SEBBM) se han publicado una serie de artículos reflexionando sobre la ciencia en época de crisis económica. Todos los artículos son muy interesantes; pero para el tema de este blog, recomiendo especialmente el escrito por el profesor Cossío, dónde se citan tres ejemplos de avances de la química que impactaron en la sociedad (investigaciones de Lavoisier, de Pasteur y de Fawcett y Gibson) y que se produjeron en épocas de crisis económicas, sociales y políticas muy severas.

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Futuros científicos españoles


Ayer, en una ceremonia presidida por el ministro de Educación, D. Ángel Gabilondo, se entregaron los Premios Empresariales de la Olimpiada Química, que organiza el Foro Permanente Química y Sociedad. Se trata de un reconocimiento a los cuatro ganadores de la última Olimpiada Nacional de Química, que obtienen un compromiso de empleo de cuatro grandes multinacionales del sector químico. Siempre es gratificante compartir unos momentos con jóvenes como los premiados, que tienen una gran preparación académica y excelentes cualidades humanas. Si se les brinda las oportunidades adecuadas, harán que este país sea mucho más avanzado. ¿Tendrán las oportunidades o suf uturo estará sometido a los vaivenes políticos y sociales del momento?

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Somos noticia en Nature y ….. el gobierno no lo publicita

Me parece lógico que, desde una perspectiva patriótica, cuando una investigación realizada en España se publica en una de las más influyentes revistas científicas, como Nature o Science, las autoridades académico-científica implicadas emitan una nota de prensa realzando el logro científico, aunque frecuentemente echo de menos alguna explicación adicional que contribuya a aumentar la cultura científica de la ciudadanía.

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¿Innovación sin investigación?

¿Se puede innovar científicamente o tecnológicamente sin base científica? Valiendo la redundancia, la ciencia básica proporciona la base científica. ¿Aún perdura la dicotomía ciencia básica/ciencia aplicada? ¿Existe esta distinción? Cualquier persona con un mínimo de cultura científica estará de acuerdo con la frase de Louis Pasteur (1822-1895): “No existe una categoría de ciencia a la que podamos dar el nombre de ciencia aplicada. Hay ciencia y las aplicaciones de la ciencia, unidas como el fruto a su árbol”.

Por eso resulta sorprendente que el Sr. Rodríguez-Ibarra, una persona a la que se le supone formada e informada por su experiencia, pueda escribir de manera tan ignorante sobre ciencia básica e innovación. En un artículo del pasado 26 de octubre en el diario EL PAIS, el Sr. Rodríguez-Ibarra aplaude la decisión de la Ministra de Ciencia e Innovación de reducir la financiación básica y aumentar la de la aplicada. En dicho artículo el Sr. Rodríguez-Ibarra indica que “la investigación universitaria tiene un componente de básica que no puede seguir subvencionándose en tiempos de crisis”, desprecia el investigar “algunos fenómenos cuyo conocimiento nos puede hacer más cultos, pero que si no se investigan hoy se podrán demostrar mañana…..” , y propone “invertir en innovación, es decir, en gente que arriesgue y se proponga hacer cosas distintas que puedan ser convertidas en un proyecto empresarial”.

Cuando mi hijo (17 años) leyó el artículo comentó con su ironía habitual: “Qué inteligente es este señor, sólo se quiere centrar en el producto final sin gastar dinero ni energía en el camino”. Es decir, el Sr. Rodríguez-Ibarra propone una especie de teletransporte (por cierto, un fenómeno cuántico actualmente solo ciencia básica, pero que dará sus frutos en innovación) pasando del casi cero (la situación actual de la ciencia española) a las aplicaciones tecnológicas. Puesto que la finalidad de este blog es hablar de química, pondré dos ejemplos de lo que propone en Sr. Rodríguez-Ibarra en innovación química.

Una de ellas podría ser fabricar un medicamento que cure alguna enfermedad sin tratamiento actual (por ejemplo Chagas, Alzheimer, malaria, entre otras) sin conocer las causas que la provocan, sin diseñar moléculas para el tratamiento, sin sintetizar las moléculas, sin hacer ensayos biológicos in vitro, sin determinar las propiedades farmacológicas, sin hacer ensayos clínicos.

Otro ejemplo. Es conocido que el tamaño y la eficacia de los microprocesadores de ordenadores (que el Sr. Rodríguez-Ibarra habrá usado al escribir su artículo y que su construcción se basa en mucha investigación fundamental) está cercano a su límite basado en la tecnología del silicio. El futuro (aún no cercano) está en la computación molecular y cuántica. Estos últimos aún están en su desarrollo teórico por parte de los físicos (Ignacio Cirac es uno de los líderes en el campo) y se prevé que puedan fabricarse en 30-50 años. En los ordenadores moleculares, las expectativas están algo más cercana, pero no mucho. Bueno, pues el Sr. Rodríguez Ibarra, en su artículo sobre innovación sin investigación, propone construir ordenadores moleculares sin pensar en las características moleculares del material a usar, sin preparar los compuestos químicos, sin estudiar interacciones no-covalentes y reconocimiento molecular, y sin hacer los experimentos que prueben los conceptos.

Me gustaría contar una anécdota del gran Michael Faraday (1791-1867), que aunque no sea cierta parece adecuada para el asunto de este artículo (se non è vero, è ben trovato). Estaba enseñando sus experimentos sobre inducción electromagnética a un ministro, y éste le preguntó qué para que servía “eso”; a lo que Faraday contestó: “Aún no lo sé, pero seguro que en poco tiempo, estaremos pagando impuestos por ello”. Ni que decir tiene, que estos experimentos de ciencia básica fueron el origen de la producción industrial de electricidad. Con el planteamiento del Sr. Rodríguez-Ibarra aún estaríamos iluminándonos con lámparas de gas.

En ciencia y sus aplicaciones no hay atajos. A menos que el Sr. Rodríguez-Ibarra se refiera a “innovación” a copiar patentes extranjeras y esperar que no nos pillen, o construir ladrillos dodecahédricos, o bandejas de camarero con formas trapezoidales; que serán muy útiles para los dos pilares de nuestra “economía de pies de barro”: la construcción y el turismo.

La trilogía I+D+i se lee de izquierda a derecha. No hay desarrollo sin investigación y no hay innovación sin I+D. Sólo los países con ciencia básica fuerte y con tradición (medible por el número de sus Premios Nobel en ciencias) generan beneficios a través de la innovación. Por eso en los países más avanzados, el presupuesto en ciencia básica para el año 2010 ha aumentado respecto a 2009. Como ejemplo sirve el presupuesto de Estados Unidos, dónde las dos principales agencias de financiación de la investigación básica (NIH y NSF) han aumentado sus presupuestos; lo que está de acuerdo con las palabras pronunciadas por el Presidente Obama en un discurso en la USA Nacional Academy of Science: “Hay quien considera que en estos duros momentos de crisis económica invertir en ciencia es un lujo. Discrepo totalmente. La ciencia es ahora más esencial para nuestra prosperidad, seguridad, salud, medioambiente y calidad de vida, de lo que nunca antes ha sido”.

La frase sobre “hacernos más cultos” es especialmente frustrante para personas como el autor de este artículo (y de muchos compañeros de este Weblog) que estamos dedicando esfuerzos y tiempo a la Cultura Científica (véase mi artículo en este blog o esta página web). Creo que una de las principales obligaciones de un dirigente político es la de aumentar la cultura de sus conciudadanos; como la cultura científica española es muy baja, esta tarea es especialmente necesaria en España.

Con propuestas como las que el Sr. Rodríguez-Ibarra hace en su artículo, ya entiendo por qué mi querida Extremadura no está a la cabeza de la Ciencia e Innovación mundial (ni española).

Quizás la clave esté en el párrafo final del artículo: “Ahora, cuando el proyecto y el líder pasan por dificultades, es el momento de decir que los de la última fila sabemos y queremos arrimar el hombro a cambio de nada”. ¿Se está postulando el Sr. Rodríguez-Ibarra como ministro o asesor? Por el bien de España espero que su oferta sea desestimada por trasnochada.

¿Innovación sin investigación?

¿Se puede innovar científicamente o tecnológicamente sin base científica? Valiendo la redundancia, la ciencia básica proporciona la base científica. ¿Aún perdura la dicotomía ciencia básica/ciencia aplicada? ¿Existe esta distinción? Cualquier persona con un mínimo de cultura científica estará de acuerdo con la frase deLouis Pasteur (1822-1895): “No existe una categoría de ciencia a la que podamos dar el nombre de ciencia aplicada. Hay ciencia y las aplicaciones de la ciencia, unidas como el fruto a su árbol”.

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¿La química en peligro?

Aunque la química (en cooperación con otras ciencias, especialmente la física y las matemáticas) proporciona la mayoría de las comodidades de nuestra vida moderna, esta labor beneficiosa no se ve reflejada en la percepción social que esta ciencia tiene. Estamos alcanzando una situación enque podemos considerar que la química está en peligro.

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Los científicos y la cultura científica

Un país moderno necesita que sus ciudadanos tengan la suficiente formación e información, las cuales les permitirá tomar decisiones. Mientras que la cultura humanística y en ciencias sociales de los españoles se puede considerar adecuadas para estos objetivos, no ocurre lo mismo con la formación en ciencias naturales; teniendo que reconocer, por desgracia, que la cultura científica española es baja.

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La relación entre la Química y otras disciplinas científicas

Originalmente solo existía una Ciencia Natural. Con la adquisición de nuevos conocimientos, ésta se dividió en diversas ramas, dando lugar a las cuatro ciencias naturales clásicas: Física, Química, Biología y Geología. Desarrollos posteriores de las Ciencias Naturales clásicas dieron lugar a nuevas especialidades [Bioquímica, Biofísica, Geoquímica, Geofísica, Físicoquímica (o Química-física), Paleontología] como híbridos de las anteriores. Desde hace unos años, la especialización se está acentuando llegando a lo que considero tercera y cuarta generaciones de Ciencias naturales.

Los científicos de la naturaleza estudian la materia y la energía, así como la interacción entre las mismas. Dependiendo del objeto de su estudio y la metodología empleada, las Ciencias Naturales se dividieron en Geología, Física, Química y Biología. Por encima de estas Ciencias Naturales y proporcionando sus bases teóricas están las Matemáticas, que muchas veces se ha calificado como “La Reina de las Ciencias”. Posteriormente, con el desarrollo de estas cuatro Ciencias Naturales, se fueron estableciendo puentes entre ellas, creándose especialidades híbridas: Química Física, Bioquímica, Biofísica, Geoquímica y Geofísica. Recientemente ha surgido una tercera generación de disciplinas científicas derivadas de algunas de las citadas anteriormente. Entre ellas se pueden incluir Biología Molecular, Astrofísica, Ciencias Medioambientales, Toxicología, Ciencia de los Materiales, Nanociencia, etc. Actualmente la especialización de cada ciencia es muy grande y el objeto de su estudio se está convirtiendo en cada vez más restringido. Por eso, cualquier científico que investigue en una de ellas y necesite “desplazarse” un poco de su ámbito científico, ya está haciendo investigación multidisciplinar (o interdisciplinar). Pero, ¿realmente existe esta multidisciplinaridad ¿ ¿Se llegará (en una especie de “Big-Bang” científico) a una investigación (más) generalista que la actual?

La frase que a veces mencionamos los químicos: “Todo lo que nos rodea, todo lo que usamos cada día, incluso nosotros mismos, es Química”, lleva implícito la cotidianeidad de nuestra vida diaria; y uno de los objetivos de los artículos de esta página web es que la Sociedad sea consciente de que la química aporta muchos beneficios a nuestras vidas.

Hay muchas cosas que están fuera del ámbito de la Química (al menos en una primera aproximación). Antes he comentado que la energía y sus interacciones son el objeto de estudio de los científicos. Para explicar la naturaleza, los científicos [principalmente los físicos, a partir de las geniales investigaciones de Faraday (también químico por sus investigaciones y uno de los más grandes científicos experimentales) y de Maxwell (sentando las bases teóricas-matemáticas)] usamos la Teoría de Campos, que proporciona la base teórica para entender la energía, las fuerzas y las interacciones. Hasta que se consiga unificar todos los campos de fuerza en una única teoría, las interacciones existentes en el Universo se clasifican dentro de uno de estos cuatro tipos: gravitatoria, electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte. Cada una de estas interacciones actúa en determinadas circunstancias y son responsables de ciertos fenómenos naturales. Por ejemplo, la interacción fuerte es la responsable de que los protones y neutrones se mantengan en el núcleo y la interacción débil es la responsable de la radiactividad β y de iniciar las reacciones termonucleares. Estas dos interacciones son de muy corto alcance y tienen (relativamente) poco tienen que ver con la Química (¡excepto que se considere que el núcleo atómico no es tema de la Química o que la violación de la paridad por parte de la interacción débil, que posiblemente es el origen de la quiralidad de los compuestos químicos no es un asunto de la Química!,  esto se discutirá más adelante).

La interacción gravitatoria [la primera fuerza en describirse (Newton)] fue, durante mucho tiempo, una gran desconocida. Einstein, con la Teoría General de la Relatividad, dio una explicación del origen de esta interacción (aunque aún queda mucho por investigar en este campo). Esta interacción actúa a todas las distancias y es la responsable de que los objetos celestes estén dónde están y se muevan como se mueven, lo que nos mantiene unidos a la superficie de la Tierra y la responsable de las mareas (la atracción de la Luna sobre los océanos, ¡que son grandes disoluciones acuosas!). La interacción gravitatoria es directamente proporcional a la masa de los objetos (es decir, la cantidad de materia, dependiente del número y del peso de las moléculas) y no es importante en Química debido a que es una interacción mucho más débil que la interacción electromagnética.

La interacción electromagnética es la más estudiada y la que mejor se comprende. Se debe a la interacción de partículas cargadas o neutras con un momento magnético, es decir toda la materia “habitual”. La interacción electromagnética es la responsable de que exista materia, pues es la responsable de la formación de los enlaces entre los átomos y de las interacciones no enlazantes. Realmente es la responsable de que la materia no se deforme o rompa por la acción de la gravedad (se ha escrito, aunque no sé si es rigurosamente cierto, que “de no existir la cohesión entre las partículas del globo terráqueo, las fuerzas que originan las mareas lo romperían”). Esta interacción es la que interviene en la Química, como ya ha apuntado algún lector en el “post” anterior.

Realmente, ¿cual es el “sitio” de la Química?

La Química entre la Física y la Biología”. Así comienza el “Libro de la Química Moderna” y el prefacio al mismo (por Manfred Eigen, Premio Nobel en 1967) y tiene dos connotaciones. Por un lado, da idea de la centralidad de la Química como Ciencia y por otro lado, intentamos ponernos a la altura de la Biología y de la Física, que tienen dos grandes objetivos: entender la vida y el Universo. En el resto del artículo usaré esta frase para reflexionar sobre los límites y fronteras de la Química, que espero desarrollar en posteriores artículos.

Sin duda alguna, el objeto de estudio (la vida) de la Biología es apasionante, lo que tiene connotaciones materiales y espirituales para el ser humano. Por otro lado, la Física intenta descifrar las leyes que rigen el Universo, desde el conjunto de galaxias hasta los componentes más pequeños de la materia. El objeto de su estudio abarca dimensiones desde 1026 m (tamaño aproximado del universo) hasta 10-16 m (tamaño de un quark, una partícula subnuclear). La Física intenta explicar la Naturaleza estableciendo leyes que se ajustan a los principios de las interacciones de los cuatro campos físicos: gravitatorio, electromagnético, nuclear fuerte y nuclear débil. Uno de los retos de la Física es la unificación de todos los campos, estableciendo una teoría única de campos.

Por otro lado, en comparación con la Física y la Biología, la Química, aparentemente, tiene objetos de estudio y objetivos más modestos. El objeto de estudio de la Química son las moléculas, sus constituyentes (los átomos), sus interacciones y propiedades. Aunque los objetivos de la Química son modestos en comparación con los de la Física o la Biología, es la ciencia que proporciona todas las comodidades de nuestra vida diaria.

¿Cuáles son los límites de la Química? Puesto que el objeto de su estudio son las moléculas y todo está hecho de moléculas, podemos pensar que la Química estudia todo (con las excepciones comentadas al inicio del artículo; es decir, lo que está influido por los campos gravitatorios y los nucleares). Sin embargo, tradicionalmente, los límites de la Química los marca las Ciencias clásicas con las que hace frontera: la Física y la Química.

Se ha dicho (yo, a veces, también lo he explicado así) que la Química empieza en la última capa electrónica y que el resto del átomo es “cosa” de los físicos. Es cierto que los electrones de la capa más externa (electrones de valencia) son los que participan en las reacciones químicas, en la formación de enlaces y en las interacciones no covalentes; y muchas veces se ha dejado de lado el papel del núcleo y los electrones de las capas internas en el comportamiento químico. Sin embargo, los electrones de las capas más internas y (especialmente) los núcleos no son inocuos en Química. El ejemplo más importante es el de una especie sin electrones, que es fundamental en Química; es el catión del átomo de hidrógeno, el protón [aunque debido a su gran reactividad (acidez y electrofilia), generalmente se encuentra coordinado a otras especies]. Por otro lado, la posición de los núcleos, su carga y masas determinan las posiciones más estables de los electrones en los átomos (la región del espacio dónde hay mayor probabilidad de encontrar al electrón) y en las moléculas determinan los mínimos en las superficies de energía potencial (las configuraciones más estables de las moléculas). Además, la posición y masa de los núcleos influyen en propiedades físico-químicas importantes como las frecuencias de vibración y rotación de las moléculas [con las aplicaciones en espectroscopia infrarroja (IR), Raman y de microondas]. También es importante el núcleo en espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), que es una herramienta fundamental en el estudio estructural, especialmente de moléculas orgánicas; y que es debida al acoplamiento energético de un núcleo con momento magnético (los que tienen un número impar de neutrones o de protones) con un campo magnético externo. Los núcleos tienen importancia en cinética química, pues influyen en los efectos isotópicos cinéticos (KIE, de sus siglas en inglés, Kinetic Isotope Effect). El KIE es una herramienta valiosa en la investigación de mecanismos de reacción (estudiar en detalle como los reactivos se convierten en productos de una reacción química). Se ha encontrado que la velocidad de una reacción química depende del isótopo (átomos de un mismo elemento químico con distinto número de neutrones) del elemento que participa en la etapa limitante de la velocidad de la reacción. Cuanto mayor sea la proporción entre las masas de los dos isótopos, mayor es el efecto isotópico; por eso, el KIE más importantes se producen en las reacciones en las están implicados átomos de hidrógeno/deuterio. Un tema de interés actual en Química es como los efectos relativistas influyen en las propiedades químicas y químico-físicas de los átomos y moléculas; este hecho tiene especial importancia en los elementos pesados (y superpesados) del sistema periódico, dónde la velocidad de los electrones de las capas internas es muy alta (cercana a la de la luz) y hay que tener en cuenta las ecuaciones de la Teoría de la Relatividad (teoría de Dirac de la mecánica cúantica relativista). Finalmente, esta discusión sobre la importancia del núcleo en Química no puede acabar sin mencionar la Química Nuclear. Aunque se ha apuntado que las interacciones nucleares son las responsables de la estabilidad/inestabilidad de los núcleos atómico y que estas son tema de la Física, también es cierto que la Química Nuclear es una parte importante de la Química, dónde investigan muchos químicos. De hecho, Otto Hahn (1879-1968), el “padre” de la fisión nuclear (Lise Meitner (1878-1968) sería la “madre”, injustamente olvidada por los Premios Nobel], premio Nobel de Química (1946) era químico de formación.

Estos últimos comentarios (la Química Nuclear se explica por la teorías de campo nuclear fuerte y débil y el comportamiento de los elementos pesados se explica por la teoría cuántica-relativista), junto al hecho de que el comportamiento de los electrones se explica por la teoría electromagnética, puede llevar a la conclusión de que la Química puede ser explicadas por la Física en un planteamiento reduccionista, que no comparto, y que será objeto de discusión de próximos artículos en esta página web.

La otra frontera “clásica” de la Química está con la Biología. El descubrimiento de que los compuestos orgánicos no estaban ligados a ninguna fuerza vital y que se podían preparar en el laboratorio [Wöhler (1800-1882), síntesis de la urea en 1828] fue una revolución en Química. A partir de ese momento, algunos químicos se interesaron por la síntesis orgánica (es decir, el arte y la técnica de preparar moléculas, naturales o artificiales; basándose en los conocimientos sobre la reactividad de los compuestos orgánicos) y en la Química Orgánica estructural (posiblemente la teoría estructural de la Química Orgánica es una de las mayores aportaciones intelectuales de los científicos, a la que no se le ha dado el valor que merece). Otros químicos empezaron a interesarse por las reacciones químicas en los organismos vivos, siendo el origen de la Química Biológica o Bioquímica. Esta disciplina científica se puede definir como la explicación química de los procesos de la vida y se puede clasificar tanto como una parte de la Química como de la Biología. Más recientemente ha surgido una nueva disciplina, la Biología Química (Chemical Biology), que, en mi opinión, veo como un invento y en la que no aprecio diferencias con la Bioquímica (o la Química Biológica, denominación más antigua) o con la Química Bioorgánica (la parte de la Química Orgánica interesada en las moléculas de interés biológico). A partir de la mitad del siglo XX, tras los experimentos de Avery (1877-1951) sobre la identificación del ADN como portador de la información genética, y la publicación del libro What is life? de Schrödinger (1887-1961, Premio Nobel de Física en 1933) nació una nueva ciencia, la Biología Molecular; que relacionada con la Bioquímica, se centra en el estudio de las moléculas responsables de la transmisión de la información genética. Por su componente “molecular”, esta ciencia debería ser frontera entre la Química y la Biología, pero los métodos y técnicas usadas por los biólogos moleculares son, aparentemente, muy distintos de los de los químicos. A partir del “éxito” de la Biología Molecular han surgido muchas subdisciplinas de la Biología que llevan el adjetivo “molecular” [en el catálogo de revistas electrónicas del CSIC (http://bibliotecas.csic.es/revelectronicas/erevistas_busquedas.html) hay un centenar de títulos con este término], que es un ejemplo de lo indicado al principio de este artículo sobre la alta especialización de las disciplinas científicas. Puesto que la Química es la Ciencia de las moléculas, la Química también debería tener relación con estas “nuevas” especialidades científicas (¿o es que los químicos nos hemos dejado robar la palabra “molecular”?).

Está claro que los límites de cada Ciencia (especialmente la Física, la Biología y la Química) son difusos (realmente siempre lo han sido) y cada vez lo serán más, debido a la mayor interdisciplinaridad de estas tres Ciencias.

Bernardo Herradón

Instituto de Química Orgánica General

CSIC

herradon@iqog.csic.es

Premio Nobel de Química 2009

El Premio Nobel de Química 2009 se ha concedido a los investigadores Venkatraman Ramakrishnan (doctor en física; nacido en la India, nacionalidad estadounidense, trabajando en el MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, Reino Unido), Thomas A. Steitz (doctor en biología molecular y bioquímica estadounidense profesor de biofísica molecular y bioquímica e investigador del Howard Hughes Medical Institute de la Yale University, Estados Unidos) y Ada E. Yonath (nacionalidad israelita, doctora en cristalografía de rayos-X e investigadora del Weizmann Institute of Science, Israel).

La investigación por la que han sido galardonados por el estudio de la estructura y función del ribosoma. El dogma central de la biología molecular, propuesto por Francis Crack, afirma que el DNA codifica (transcribe) el RNA mensajero y este la proteína (traducción). Aunque hay excepciones a este planteamiento (retrovirus, ribozimas, etc.), este es el mecanismo de expresión genética más frecuente y el producto final de la misma es una proteína que son la biomoléculas responsables de que las células (y la vida funcionen). La biosíntesis de proteínas se realiza en los ribosomas. Por lo tanto, el trabajo realizado por los tres investigadores galardonados es fundamental en entender las química a nivel molecular.

Sin embargo, por formación, por su posición profesional y por las áreas en las que publican, no podemos considerar que investiguen en química. En los últimos años el Premio Nobel de química se ha concedido frecuentemente a investigadores que no se pueden considerar que hagan investigación química (sólo por citar los más recientes: año 2008, proteínas fluorescentes; 2006, transcripción; 2004, degradación de proteínas; 2003, canales en membranas celulares; 1997, estudios sobre el ATP)

¿Es esto bueno o malo? Se puede ver desde las dos vertientes. La optimista: la química es una ciencia central que interacciona con otras disciplinas, extendiéndose hacia estas (según el comité Nobel hacia la biología). La pesimista: la química está perdiendo interés e influencia. En fin, puede haber opiniones para todos los gustos…

Bernardo Herradón

Instituto de Química Orgánica General

CSIC

herradon@iqog.csic.es

Lo que los químicos piensan de su trabajo: Phil Baran y la síntesis total de productos naturales.


A veces, los científicos nos quejamos de que nuestro trabajo no se difunde adecuadamente. Este tema, que es importante, podrá ser objeto de un próximo artículo en este blog. Por otro lado, creo que es conveniente, especialmente para que sirva de inspiración y motivación a los más jóvenes, quec ientíficos destacados expliquen las razones de por qué eligen sus temas de investigación. Así, con este post, abro una sección sobre este asunto y le pediré a algunos colegas que expliquen la elección de su tema de investigación. Aprovecharé la ocasión para, si ha lugar, hacer algunas breves reflexiones sobre el tema y os recomendaré alguna lectura. Abrimos la sección con el Profesor Phil Baran, un brillante químico especializado en síntesis total de productos naturales.

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Entrevista a George Whitesides. Los descubrimientos de la Química.


Profundizar en la química de lo que nos rodea nos permite mejorar la comprensión de nuestro mundo y encontrar nuevas formas de interaccionar con él, más óptimas y menos perjudiciales” y “los descubrimientos de la Química, una disciplina que ha de revolucionar el mundo en las próximas décadas”. Son dos frases de la página web del programa Redes, cuya emisión del pasado 13 deseptiembre, se dedicó a la Química. Continuar leyendo

Los límites de la Química. Parte 2: la Química entre la Física y la Biología


La Química entre la Física y la Biología”. Así comienza el “Libro de la Química Moderna” y el prefacio al mismo (por Manfred Eigen, Premio Nobel en 1967) y tiene dos connotaciones. Por un lado, dai dea de la centralidad de la Química como Ciencia y, por otro lado, la Química se pone a la altura de la Biología y de la Física, que tienen dos grandes objetivos: entender la vida y el universo. En este “post” uso esta frase para reflexionar sobre los límites y fronteras de la Química, que espero desarrollare n posteriores artículos.

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Los límites de la Química (y de otras Ciencias)-Parte 1

Originalmente solo existía una Ciencia Natural. Con la adquisición de nuevos conocimientos, ésta se dividió en diversas ramas, dando lugar a las cuatro ciencias naturales clásicas: Física, Química, Biología y Geología. Desarrollos posteriores de las Ciencias Naturales clásicas dieron lugar a nuevas especialidades [Bioquímica, Biofísica, Geoquímica, Geofísica, Físicoquímica (o Química Física), Paleontología] como híbridos de las anteriores. Desde hace unos años, la especialización se está acentuando llegando a lo que considero tercera y cuarta generaciones de Ciencias naturales.

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Bienvenidos al blog “Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad”

 

Este sitio nace con la pretensión de ser un foro de discusión sobre como los avances de la Química  impactan en la sociedad, contribuyendo a su avance.
Todo lo que nos rodea, todo lo que usamos cada día, incluso nosotros mismos, es Química. Esta Ciencia se ha definido como la Ciencia central que interacciona (haciendo aportaciones valiosas) con otras, desde las Ciencias Naturales clásicas (Física, Biología y Geología) hasta las más recientes, como la Biología molecular, las Ciencias medioambientales, Ciencias agrícolas, Ciencia de los alimentos, Ciencia de los materiales, etc.

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Experimentos de Química

En Classic Chemistry Experiments se pueden encontrar experimentos adecuados para estudiantes de secundaria y bachillerato. Es un libro, aunque anteriormente se podían descargar los experimentos en la web

Una colección de experimentos en Química se pueden encontrar aquí.

En esta dirección web se pueden encontrar videos de 26 experimentos de Química realizados por Josep Durán y Pep Antón Vieta.

Bernardo Herradón (@QuimicaSociedad)