En la revista Anales de Química se ha publicado una selección de noticias científicas destacadas en el año 2012. La selección ha sido realizada por José Antonio López-Guerrero (JAL) y Bernardo Herradón y está dirigida, especialmente, a los lectores de la revista (principalmente químicos). El artículo en formato PDF se puede descargar aquí o a través de la web de la RSEQ. A continuación se puede leer los once hitos (como un equipo de fútbol) seleccionados y los comentarios sobre los mismos.
Los investigadores y divulgadores José Antonio López-Guerrero (Universidad Autónoma de Madrid y Centro de Biología Molecular ‘Severo Ochoa’) y Bernardo Herradón (Instituto de Química Orgánica General, CSIC) han seleccionado algunos avances científicos del año 2012, que comentan a continuación. Estos hitos son de diversas áreas científicas: química, física, biología, geología y matemáticas. Las fuentes de información han sido las publicaciones científicas originales, notas de prensa de los organismos de investigación y noticias en medios de comunicación. Aparte de estos hitos, en cada edición de Anales de Química de 2012, hemos seleccionado una serie de artículos científicos de especial relavancia que se han comentado en la sección “Noticias Científicas Relevantes”.
1) ¿Detectando el bosón de Higgs? y otros experimentos en los aceleradores de partículas.
El año 2012 comenzaba con la presentación de los primeros resultados en la sede de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), en Ginebra, que apuntaban a la existencia del bosón de Higgs, propuesto por Peter Higgs (Figura 1) en 1964. El bosón de Higgs es una partícula elemental propuesta en el modelo estándar de física de partículas. La existencia del bosón de Higgs, y su campo asociado, permitiría explicar el origen de la masa de las partículas elementales. Esta partícula constituye el cuanto del campo de Higgs, (la más pequeña excitación posible de este campo). Según el modelo propuesto, no posee espín, carga eléctrica o de color, es muy inestable y se desintegra rápidamente, su vida media es del orden de 10-21 segundos.
Figura 1. Peter Higgs
Los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones (HLC, Large Hadron Collider) no eran concluyentes y se limitaron a “estrechar el cerco” sobre la elusiva partícula. No fue hasta el 4 de julio de esta año cuando se presentaron resulados que parecen indicar la existencia de esta partícula; aunque aún tienen que ser confirmados (Figura 2). Estos resultados fueron obtenidos tras analizar una ingente cantidad de datos aportados por miles de científicos (incluyendo varios grupos españoles). Se han observado bosones en el rango de energía esperado (entre los 125 y 126 GeV).
Ahora falta determinar si la nueva partícula se comporta como dicta el modelo estándar de física de partículas y, en un paso más allá, su importancia para la comprensión del Universo.
Figura 2. Imagen de la diapositiva anunciando el descubrimiento de un serio candidato a bosón de Higgs.
Aparte de la búsqueda del bosón de Higgs, en el LHC también se realizan multitud de experimentos encaminados a entender la estructura íntima de la materia. En uno de estos experimentos, usando el detector Alice (Figura 3), se ha generado plasma a temperaturas de millones de grados (se afirma que a unas cien mil veces la temperatura del Sol), en la que los núcleos atómicos se disgregan en sus componentes (quarks y gluones), obteniéndose una sopa de partículas con propiedades exóticas. Con estos experimentos se recrean los primeros instantes después del Big Bang. Para conseguir estos resultados es necesario acelerar núcleos de plomo a velocidades cercanas a la luz y chocarlos contra protones. El objetivo de etos experimentos es conocer la composición interna de los nucleones (protón y neutrón) y, especialmente, saber a que es debida su masa, lo que se relaciona directamente con el bosón de Higgs. Estos experimentos, que han supuesto un gran reto tecnológico, se continuarán en 2013.
Figura 3. Colisiones entre protones e iones de plomo en el experimento ALICE del LHC. Imagen: ALICE/CERN.
Estas investigaciones en la búsqueda del bosón de Higgs, el origen de la masa y de la materia oscura, pueden tener una gran influencia en el desarrollo futuro de la química.
2) El grafeno sigue dando mucho juego
Después de ocho años de su descubrimiento (Science 2004, 306, 666) y dos después del Premio Nobel de Física a Geim y Novoselov (http://bit.ly/skmh4D), la investigación en el grafeno (Figura 4) y algunas de sus variantes sigue produciendo resultados muy interesantes en una variedad de áreas y temas de investigación, como química, física, ciencias de materiales, biomedicina, energía, electrónica, ingeniería, tecnología, etc. Estos resultados tienen implicaciones teóricas y prácticas.
Figura 4. Estructura del grafeno.
Además, los resultados prometedores obtenidos con el grafeno ha abierto la puerta a la investigación en materiales moleculares con estructura en capas de poco grosor (hay que recordar que el grafeno es una molécula gigante con el espesor de sólo un átomo, de carbono). Uno de los más prometedores es la molibdenita (un mineral, disulfuro de molibdeno, Figura 5), que puede tener aplicaciones en electrónica y catálisis. Alguna publicación sobre la molibdenita se ha reseñado en Anales de Química (2012, 108, 180).
Figura 5. Estructura cristalina de la molibdenita.
Algunas publicaciones describiendo investigaciones con grafeno se indican a continuación:
a) Estudios de permeabilidad de agua a través de membranas basadas en grafeno: Geim y colaboradores, Science 2012, 335, 442.
b) Condensadores electroquímicos: El-Kady et al., Science 2012, 335, 1326; Lee et al., ChemSusChem 2012, 5, 2328.
c) Síntesis química de fragmentos de grafeno y análogos: Alonso et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 173; Gölzhüaser, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 10936 (highlights).
d) Derivados funcionalizados del grafeno: Guldi y colaboradores, Acc. Chem. Res. 2012, en prensa, DOI: 10.1021/ar300124z; Georgakilas et al., Chem. Rev. 2012, 112, 6156-6214 (revisión); Castelaín et al., Chem. Eur. J. 2012, 18, 4965.
e) Receptores artificiales derivados de óxido de grafeno: Chou et al., J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 16725.
f) Plasmones de grafeno: Chen et al., Nature 2012, 487, 77.
g) Transistores basados en grafeno: Britnell et al., Science, 2012, 335, 947.
h) Sensor de gases: Docherty et al., Nature Comm. 2012, 3, art 1228.
i) Interruptores moleculares: Yan et al., Asian J. Org. Chem. 2012, en prensa, DOI: 10.1002/ajoc.201200102.
j) Tribología: N’guessan et al., Nature Comm. 2012, 3, art 1242.
k) Sensores químicos: Kochmann et al., Trends Anal. Chem. 2012, 39, 87 (revisión).
l) Estudios estructurales: Fujii y Enoki, Acc. Chem. Res. 2012, en prensa, DOI: 10.1021/ar300120y.
m) Toxicidad: Bussy et al., Acc. Chem. Res. 2012, en prensa, DOI: 10.1021/ar300199e.
n) Equipamiento nanofotónico: Kim et al., Nature Comm. 2012, 3, 1123.
o) Equipamiento termoacustico: Ruoff y colaboradores, Adv. Materials 2012, 47, 6342.
p) Superconductividad: Profeta et al., arXiv:1105.3736v1
3) Conociendo el genoma: proyecto ENCODE
En 2012, a través de varias decenas de artículos científicos, se presentó la “Enciclopedia de los Elementos del DNA” o proyecto ENCODE; una colaboración internacional coordinada a través del NIH de Estado Unidos, que ha logrado constituir una lista de elementos funcionales del genoma humano.
Con esta investigación se persigue, entre otros aspectos moleculares, redefinir y actualizar el concepto de gen; de caracterizar aquellos elementos que interaccionan a todos los niveles con la expresión génica, desde el propio DNA hasta las proteínas, pasando por las transcripciones que no acaban en una proteína, sino que constituyen ese emergente campo del RNA regulador, no codificante. Esto último permitiría entender incluso la evolución o cómo pequeñas variaciones en una secuencia del genoma pueden producir distintas especies.
Los resultados analizaron los detalles moleculares de cuatro millones de regiones reguladoras del genoma humano y se publicaron en revistas como Nature, Science o Genome Research (Figura 6). En perspectiva, estos resultados nos colocan en un punto de inflexión en la comprensión del imbricado proceso molecular que subyace tras un ser vivo.
Figura 6. Portada de las revistas Nature y Genome Research en la que se publicaron resultados del proyecto ENCODE.
4) Avances en teoría de números
En el último año se ha avanzado considerablemente en la demostración de dos conjeturas de teoría de números que tienen que ver con el conocimiento de los números primos, la factorización de sumas de números primos y el Último Teorema de Fermat. Estos resultados tienen aplicaciones en criptografía.
La Conjetura de Goldbach (http://bit.ly/dQ2q7m), es uno de los problemas abiertos en matemáticas desde hace casi 300 años; que afirma que “todo número par mayor que dos se puede expresar como la suma de dos número primos”. En 2012, Terence Tao (un genio de las matemáticas, ganador de medallas de bronce, plata y oro en las Olimpiadas Internacionales de Matemáticas cuando tenía 11, 12 y 13 años respectivamente; actualmente profesor en UCLA y medallista Fields en 2006, http://www.math.ucla.edu/~tao/, Figura 7) ha demostrado que “cualquier número impar se puede expresar como la suma de un máximo de cinco números primos” (http://bit.ly/xKULEZ), lo que supone un avance hacia la demostración de la Conjetura Débil de Goldbach (“todo número primo mayor de siete puede expresarse como la suma de tres número primos impares”).
Figura 7. Terence Tao junto a parte de la delegación española en la 50º Olimpiada Internacional de Matemáticas (2010, Bremen, Alemania). De izquierda a derecha. Marco Castrillón, María Gaspar, Terence Tao. Jaime Roquero y Moisés Herradón.
En el último mes se ha anunciado la demostración de la Conjetura abc, que está relacionada con el Último Teorema de Fermat; aunque aún debe comprobarse la veracidad de la demostración, lo que puede llevar varios meses debido a lo complicado y extensión de la demostración.
Estas noticias han sido comentadas con la inestimable ayuda de Miguel Ángel Morales (@gaussianos) y Moisés Herradón.
5) Avances en astronomía, astrofísica y astroquímica
Desde 1988 cuando se postuló la existencia de un planeta extrasolar (Campbell, Walker, Yang, Astrophysical J. 1988, 331, 902), pasando por 1995 en que se confirmó experimentalmente (Mayor y Queloz, Nature 1995, 378, 355-359), se han detectado casi 900 planetas extrasolares. Actualmente tenemos imágenes de muchos de ellos y conocemos datos sobre su atmósfera. Este tipo de investigaciones conducen a preguntas con profundas connotaciones filosóficas, como ¿existen planetas habitables? ¿existe vida en otros planetas?
Ésta es un área de investigación muy activa que necesita grandes instalaciones científicas, como telescopios potentes en La Tierra o telescopios en sondas espaciales (observatorios Kepler o Hubble, entre otros). Un exoplaneta se detecta estudiando el pequeño movimiento que provoca en la estrella que orbita. Para ello se necesitan técnicas científicas especiales como la óptica adaptativa, usada para eliminar las distorsiones provocadas por la atmósfera terrestre.
El Telescopio Europeo Extremadamente Grande (EELT) en Chile, en el que participan varios países europeos, será un instrumento adecuado para hacer este tipo de investigaciones. Confiemos en que España finalmente encuentre financiación para entrar en este proyecto.
Algunos hitos en esté área son el descubrimiento de un planeta formado principalmente por carbono (grafito y diamante) con posible agua en estado supercrítico en su interior. Este planeta es el 55 Cancri (Figura 8), que orbita una estrella en la constelación de Cáncer, a 40 años luz de la Tierra. Los resultados se han publicado en Astrophys. J. Lett. (http://arxiv.org/abs/1210.2720).
Figura 8. Simulación del planeta 55 Cancri, formado principalmente por carbono.
Otras investigaciones han estudiado la formación de ozono (Astrophys. J. 2012, 745, 103) o naftaleno (PNAS 2012, 109, 53) en el espacio interestelar, o han detectado la presencia de moléculas pequeñas (agua, CO, CO2, amoniaco, metano o ácido glicólico entre otros) en planetas lejanos. Todas estas investigaciones tienen repercusión en los medios de comunicación.
Hay que destacar que esta área científica cada vez usa más recursos de la química-física (espectroscopía en diversas regiones del espectro electromagnético) y ya debería llamarse astroquímica.
Otra investigación interesante sobre el origen de la Vía Láctea se publicó en Nature 2012, 490, 24. Al parecer, galaxias grandes como la nuestra, la Vía Láctea, se han podido formar a partir de la fagocitosis o unión de otras previas más pequeñas. De ser así, debería de haber un buen número de galaxias menores alrededor de grupos de galaxias mayores, algo que no se ha podido observar y que difiere de las simulaciones realizadas hasta la fecha. En este sentido, el artículo publicado en Nature describió una galaxia satélite oscura muy masiva junto a un grupo local de galaxias a diez mil millones de años luz, sugiriendo que el número de estos satélites es mayor del que se pensaba por las simulaciones. Esta galaxia oscura y pequeña tiene una masa similar a la de Sagitario, satélite de nuestra Vía Láctea y podría servir para explicar la presencia de la materia oscura que, según las predicciones, formarían hasta el 25% de la masa del universo. Los autores concluyen que las galaxias se formaron mediante una estructura jerárquica en un universo compuesto básicamente por materia oscura fría, difícil de detectar.
Figura 9. Vista de la Vía Lactea desde el ESO (European Southern Observatory)
Estudios astrofísicos recientes han determinado que la relación entre las masas del protón y del electrón ha permanecido invariable al menos en los últimos siete mil millones de años (aproximadamente la mitad de la edad del universo). Han usado un radio telescopio de 100 metros para medir la absorción de la radiación por parte del metanol en el universo antiguo (en prensa en la revista Science).
Algunas conclusiones de estos estudios es que se va avanzando en el conocimiento de la energía y materia oscura; cuya confirmación y caracterización revolucionarán la ciencia; incluida, por supuesto, la química.
6) Nuevo virus emergente
Los Orthobunyavirus son agentes infecciosos que producen enfermedades en el ganado vacuno, transmitidas por picaduras de dípteros parecidos a mosquitos. En la pasada primavera un nuevo miembro de este género de virus apareció en vacas europeas. El análisis genómico a gran escala sirvió para identificar a este nuevo virus, aislado de la sangre de los animales afectados, denominado Schmallenberg, por la ciudad germana donde fue hallado en vacas. El virus produce, entre otros síntomas, fiebre, descenso de la producción láctea, diarreas, y lo que es peor, malformaciones en fetos y abortos. Además de a vacas, el virus infecta a ganado ovino y caprino; pudiendo llegar a provocar abortos y malformaciones congénitas. Tras su paso por Alemania, Reino Unido, Bélgica y Holanda, Andalucía también confirmó su presencia en Andalucía (http://bit.ly/xK4aMg).
7) Compuestos químicos que curan la ceguera
La retinitis pigmentosa (RP) y la degeneración macular provocada por el envejecimiento (AMD) son dos enfermedades degenerativas que provocan ceguera. La etiología es debida a la destrucción de los conos y los bastones. Aunque el resto del sistema visual permanece intacto, el paciente es incapaz de responder a estímulos luminosos. En 2012 se ha publicado una interesante investigación en la que usando una sustancia química, AAQ (acrylamide-azobenzene-quaternary ammonium), con capacidad de isomerizarse fotoquímicamente (photoswitch), que ha podido revertir el proceso de manera temporal en experimentos realizados con ratones. Se ha encontrado que inyecciones intraoculares de AAQ es capaz de restaurar la sensibilidad a la luz de la retina. AAQ y moléculas relacionadas pueden constituir una estrategia adecuada en este campo terapéutico (Neuron 2012, 75, 271).
8) Observando simultáneamente la dualidad onda-partícula de los fotones
La dualidad onda-partícula es la base de la mecánica cuántica. Los sistemas cuánticos exhiben comportamiento de onda o de partícula dependiendo del instrumental de medida usado para determinarlo. Sin embargo, el comportamiento simultaneo de ambas facetas no había sido observado hasta este año, en que dos grupos independientes, usando técnicas experimentales muy sofisticadas (chip fotónico cuántico), han sido capaces de describir el comportamineto simultaneo como onda y partícula de los fotones. Los resultados se han publicado en dos artículos en Science 2012, 338, 634 y Science 2012, 338, 637.
Hay que recordar que el Premio Nobel de Física de 2012 ha sido otorgado a Haroche y Wineland por sus investigaciones independientes de la manipulación experimental de sistemas cuánticos (http://bit.ly/Okngzn). Todas las investigaciones experimentales de fenómenos cuánticos suponen un progreso en el conocimiento del comportamiento de la materia y, desde un punto de vista práctico, nos acerca a la computación cuántica.
9) La nanotecnología al servicio de la salud humana
La aplicación de sistemas miniaturizados en salud humana es un reto científico que supondrá un progreso considerable en nuestro bienestar. El área emergente de la nanobiomedicina es una de las áreas científicas con mayor proyección de futuro. En 2012 se han producido avances notables en este campo.
Un hito destacado ha sido la aplicación de un nanorrobot construido con moléculas de DNA que es capaz de transportar y liberar fármacos de manera controlada en células cancerosa específicas (Figura 10). El nanorrobot está “construido” de fragmentos cortos de oligonucleótidos (aptámeros de DNA) que pueden unirse a antígenos específicos. Cuando el robot encuentra un antígeno en la superficie de una célula, se une al aptámero, produciéndose un cambio estructural en el nanorobot (como si abriese una puerta), liberando el fármaco que transporta. En los resultados publicados en Science 2012, 335, 831, el robot transporta anticuerpos capaces de reconocer células cancerosas y provocar su muerte. La estrategia es útil en otras áreas terapéuticas.
Figura 10. Estructura del nanorrobot construido con aptámeros de DNA. La figura A muestra el nanorrobot “cerrado” conteniendo su “carga”. La figura B muestra el mecanismo de interacción con la superficie de la célula y liberación de la “carga”. En la figura C se muestra la estructura del nanorrobot “abierto”.
Otros avances significativos en este campo han sido el uso de nanopartículas “inteligentes” capaces de liberar selectivamente fármacos con potencial utilidad en cáncer, enfermedad de Parkinson o enfermedad de Alzheimer. Los resultados se publicaron en Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 10556.
Una estrategia similar se ha descrito en Nano Lett. 2012, 12, 5475; en la que se usan estructuras basadas en nanotubos de carbono (CNTs) para transportar fármacos a las células objetivo. Los nanotubos empleados son muy grandes, alrededor de 40 nm de diámetro (los CNTs tradicionales tienen alrededor de 1 nm de diámetro); por lo que pueden transportar moléculas en su interior. De hecho, en la publicación se describe el transporte de dos fármacos anticáncer simultáneamente, el taxol y la ceramida C-6, que se cargan al nanotubo usando un hidrogel sensible al calor. Los fármacos son transportados y liberados haciendo uso de campos magnéticos.
En otro interesante avance, se ha conseguido nanofármacos quimioterapéuticos para combatir el cáncer. En este caso, la activación selectiva del fármaco se logra fototérmicamente. Los resultados se publicaron en Dalton Trans. 2012, 41, 9286 y fueron comentados en la sección “Noticias Científicas Relevantes” de Anales de Química 2012, 108, 279.
En una reciente publicación (Nature Nanotechnology 2012, 7, 825-832), se han obtenido biomateriales que pueden usarse como piel artificial. El desarrollo se basa en un material compuesto por un polímero, micropartículas nanoestructuradas de níquel y urea. La piel humana es capaz de responder a estímulos mecánicos, como el tacto o la presión, en forma de impulsos nerviosos eléctricos. Crear un material mimético de la piel humana que reúna estas condiciones y, además, sea capaz de repararse a temperatura ambiente, supone un gran reto científico. Estos resultados se comentan más ampliamente en la sección “Noticias Científicas Relevantes” de esta edición de Anales de Química.
10) Descubren en una cueva de Cantabria un nuevo mineral único en el mundo
Un nuevo mineral, la zaccagnaita-3R (http://bit.ly/HGiHhD), se ha descubierto en la cueva El Soplao (Cantabria). Se trata del primer caso descrito de una zaccagnaita formada en una cueva, lo que convierte a esta especie en un nuevo mineral espeleotémico y a El Soplao en una cavidad única por albergarlo. El hallazgo se publicó en American Minearlogist 2012, 97, 513-523.
El nuevo mineral espeleotémico de El Soplao se distingue también por su peculiar morfología octaédrica y un zonado de fluorescencia, desconocidos en hidrotalcitas naturales (grupo al que pertenece la zaccagnaita).
Figura 11. Cristales de zaccagnaita-3R.
La zaccagnaita es un mineral del grupo de las hidrotalcitas, minerales relativamente raros que tienen un gran interés por sus aplicaciones prácticas, especialmente como catalizadores en procesos industriales, en tratamiento de aguas y en farmacia (http://bit.ly/V4FdJK). Algunos usos farmacéuticos son antiácido, antiséptico, tratamientos de deficiencia de hierro, así como excipiente y estabilizador en pomadas y cataplasmas para la protección de pieles dañadas. Las aplicaciones industriales incluyen
su uso como estabilizador de PVC, en el tratamiento de aguas residuales, absorción de óxidos de azufre, retardante de llama, intercambiador de iones y tamiza molecular.
La composición química de la zaccagnaita incluye, principalmente, zinc, aluminio, aniones carbonato y agua. Hay que destacar que zaccagnaita de El Soplao es más rica en aluminio que otros minerales del grupo. Una característica única de la zaccagnaita de El Soplao es que se trata de un politipo (el 3R, que es trigonal) desconocido previamente. Los diferentes politipos que puede tener una especie mineral tienen composición química y elementos estructurales básicos similares, pero su estructura cristalina es diferente.
11) ¿Censura o precaución virológica?
Si el virus de la denominada gripe aviar (H5N1) llegara a contagiarse entre humanos con la virulencia vista hasta la fecha, estaríamos hablando de un riesgo real muy serio para la salud humana mundial. En este sentido, investigadores del Eramus Medical Center de Rotterdam, en los Países Bajos, estudiaron en hurones las mutaciones que convertirían al H5N1 aviar en infeccioso para nuestra especie. Se caracterizaron las secuencias genéticas implicadas en transmisión y virulencia. Esto hizo que la revista Science tuviera que esperar a que el Consejo Asesor Científico Nacional para la Bioseguridad de Estados Unidos diera su visto bueno, total o parcial, a la publicación del artículo. El riesgo a que la información pudiera caer en manos de grupos bioterroristas pesó mucho. ¿Se puede embargar, ocultar o manipular información de interés científico en aras de la supuesta bioseguridad? Al final, los datos vieron la luz con una fuerte “autocensura” de los grupos participantes. Se evitaron detalles demasiado precisos, susceptibles de servir para fines espureos (Science 2012, 336, 1534).
Nota: Esta entrada participa en la XX Edición del Carnaval de Química que aloja el blog La ciencia de Amara.
José Antonio López Guerrero UAM y CBMSO [email protected] Bernardo Herradón CSIC [email protected]
