Como cada año, la entrega de los Premios Nobel hace que por estas fechas la ciencia sea noticia y cobre interés entre los ciudadanos. Desde el punto de vista de la divulgación científica supone todo un reto y, hasta cierto punto, una paradoja. Por una parte, para tener una cultura científica cabría empezar entendiendo el método científico, qué es y qué no es la ciencia, las leyes fundamentales y las explicaciones a distintos fenómenos cotidianos (como, por ejemplo, por qué el cielo es azul o por qué el agua y el aceite no se disuelven). Ello supone un conocimiento más básico y esencial que, por ejemplo, los últimos avances en algo muy específico, como los Nobel. Pero por otra parte, como es natural, la ciudadanía media quiere estar informada, quiere saber en qué puede cambiar el mundo en los próximos años y entender esos cambios ahora, sin que le tengan que explicar todos los cursos de la carrera.
Así, vamos a hacer algunas consideraciones acerca del Nobel de Química 2016. La Academia sueca ha premiado a Jean-Pierre Sauvage, J.Frasier Stoddart y L.Feringa por el diseño y síntesis de máquinas moleculares. Este artículo no pretende ser una explicación exhaustiva de qué son las máquinas moleculares. Para ello, hay disponibles en la web de la Academia explicaciones más sencillas (para no investigadores) y más complejas. Lo que pretendemos aquí no es más que dar unas pinceladas y hacer algunas reflexiones.
Hacia el siglo XVIII, para explicar la singularidad de la materia viva frente a la materia inerte, se creía en el vitalismo, esto es, que la materia que formaba la vida atesoraba un impulso o fuerza vital, una especie de energía, sin el cuál no había vida. Este principio se puso muy en entredicho cuando en 1828 Friedrich Wöhler obtuvo urea, una sustancia presente en seres vivos, a partir de sustancias inertes. Tal hito puso de manifiesto dos ideas: por una parte, las sustancias presentes en los seres vivos no tienen ninguna propiedad especial y pueden, almenos algunas de ellas, obtenerse con procedimientos de laboratorio. En segundo lugar, la química no sólo puede limitarse a explicar los fenómenos de la naturaleza sino que, a partir del conocimiento adquirido, puede crear (sintetizar) nuevos compuestos, en una rama del saber tal vez más próxima a la tecnología o la ingeniería que a la ciencia pura per se, pero sin duda marcada y sostenida por el conocimiento científico.
A partir de aquí los logros de la síntesis química han sido increíbles. Se han obtenido fármacos, jabones, perfumes, téxtiles, plásticos… (los compuestos llamados sintéticos) cuya composición química no estaba presente en la naturaleza. Y sin duda han revolucionado el mundo. Aquí cabe un paréntesis: al ser compuestos nuevos, tenemos menos información sobre las consecuencias de su interacción con nuestro ADN (por lo menos las sustancias naturales son susceptibles de haber pasado un filtraje a base de generaciones). Esta cautela es necesaria y razonable, pero conviene no caer en el extremo de asociar unívocamente sintético a peligroso y natural a sano. Al cabo, el arsénico, la cicutina o el cianuro son sustancias presentes en la naturaleza, mientras que una aspirina se obtiene a partir de un proceso industrial.
Dicho eso, volvamos a la síntesis de máquinas moleculares. ¿Qué son? Bien, hemos dicho que hoy se puede sintetizar un titipuchal de moléculas diferentes. Esta valiosa ingeniería ha llegado a permitir la síntesis de moléculas que sean como piezas de un engranaje, que vienen ensambladas a otras piezas, pudiendo así producir movimientos más o menos dirigidos. Cabe recordar que las moléculas en un fluido a temperatura ambiente están en constante movimiento de rotación, vibración, traslación… Así, la idea de las máquinas moleculares es diseñar compuestos que, por su estructura, estos movimientos más o menos aleatorios tengan un sentido privilegiado y puedan hacer algún tipo de trabajo útil.
Uno de los galardonados con el premio, Jean-Pierre Sauvage, dio un primer paso en el ensamblaje de esas piezas de motores moleculares. Sauvage consiguió unir dos compuestos cíclicos como los eslabones de una cadena. No en balde, a este tipo de compuesto lo bautizó como catenane, y abrió la puerta a una nueva forma de unir los compuestos. La mayoría de enlaces químicos consisten, más o menos, en densidades de electrones (por tanto, con cargas negativas) que permiten que los núcleos (con cargas positivas) se mantengan unidos. Pero ahora estamos hablando de un enlace mecánico: los eslabones no se pueden separar porque están entrelazados, como muestra la Figura 1.
Figura 1: dos moléculas enlazadas mecánicamente.
Un segundo paso en el diseño de compuestos que puedan hacer las veces de máquinas lo dio Fraser Stoddart, otro de los galardonados con la distinción de la Academia Sueca, con los rotaxanes. Stoddart consiguió crear un anillo semiabierto, con poca carga electrónica, y a su vez, un eje largo con mayor carga electrónica en dos puntos. Cuando ambas moléculas se encontraban en disolución (esto es, moviendose sumergidas en un fluido), el eje, por mor de las cargas, se acoplaba al anillo semiabierto. El paso siguiente era cerrar el anillo, para lograr así una estructura potencialmente útil para motores moleculares: un anillo atravesado por un eje, como una especie de mancuerna (Figura 2). A esta estructura, cuando se le transmite energía calorífica, el movimiento del calor (que implica movimientos de los átomos en todas direcciones) se transformaba en una oscilación del anillo a lo largo del eje. Así, se consiguió sintetizar una serie de estructuras capaces de convertir los movimientos aleatorios del exterior en un movimiento ordenado: un embrión de máquina molecular.
Figura 2: Estructura cristalina de un rotaxano, con el eje (molécula azul) y el anillo (molécula verde) que oscila a lo largo del primero.
El siguiente paso en el diseño de motores moleculares lo dio Ben Feringa, el otro premiado con el Nobel de Química 2016. Feringa diseñó una compuesto mecánicamente dispuesto para que girara en una dirección privilegiada. Este consistía en dos ejes perpendiculares, unidos por uno vertical, y con unas extensiones en los dos ejes paralelos que hicieran las veces de hélices. Así, al ser expuesta a radiación ultravioleta, la hélice giraba 180 grados sobre un eje, de tal manera que el sistema quedaba en tensión pero no podía volver atrás. Si se sometía a más luz, giraba la otra hélice 180 grados más. Así, al no ser posible la rotación inversa, la energía de la radiación luminosa se aprovechaba para un movimiento privilegiado, en la rotación permitida de las hélices. El siguiente vídeo muestra una representación de dicho movimiento:
En realidad, los sistemas vivos hallamos numerosos ejemplos de máquinas moleculares. Ejemplos de ello son proteínas como la miosina (responsable de la contracción muscular) o la kinesina (responsable del transporte de los nutrientes a la célula). Pero lo dicho anteriormente: después de los numerosos pasos que se han hecho desde que abandonamos el vitalismo, ahora la síntesis permite abrir un mundo de posibilidades reales. Con la naturaleza de ejemplo, y con el camino abierto por los laureados este año, se puede esperar la síntesis de nuevas máquinas moleculares realicen trabajos ahora impensables. En cierto modo, este premio Nobel de Química no premia un hallazgo, sino un invento. Un invento que puede cambiar el mundo.