Mexicanos ?redefinen la química supramolecular

El autoensamblaje a nivel molecular, que podría ser aplicado en tecnología de tamaño nano para las diversas áreas del conocimiento, y la definición más actual y comprobable de la química supramolecular, fue presentada en un artículo científico por Marcelo Lozada-Cassou y Gerardo Odriozola Prego, coordinador e investigador del Programa de Ingeniería Molecular del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP), respectivamente.

Los investigadores propusieron que el incremento de la entropía, definido por la mecánica estadística, determina el mecanismo de unión tipo llave-cerradura y con ello redefinieron la química supramolecular (química de grandes moléculas o agregados moleculares, los tamaños se miden en nanómetros o más grande), que está basada en nociones vagas e intuitivas.

El artículo en que Lozada-Cassou y Gerardo Odriozola dan a conocer sus modelos fue publicado el pasado 8 de marzo en la prestigiosa revista Physical Review Letters.

LOS QUÍMICOS RECONOCEN,? PERO LAS MOLÉCULAS NO

El doctor Lozada cuenta en entrevista de una broma que hizo en un congreso internacional. Mostró un esquema muy sencillo de una molécula de metano, formada por un átomo de carbono y cuatro de hidrógeno, y les pregunté qué era eso. ‘Metano’, contestaron, claro. ‘Ven’, les dije, ‘eso es reconocimiento molecular... No les hizo gracia .

Probablemente al lector tampoco le haga gracia pero por razones distintas a las que tuvieron los científicos del congreso, ya que en esa broma está encerrada una fuerte crítica a toda la rama de la química supramolecular.

En esta rama de la química, explica Lozada-Cassou, no tienen que ver los enlaces covalentes (como los que unen al hidrógeno y el carbono en el metano), y sólo en pocas ocasiones entran los puentes de hidrógeno (que permiten que el agua sea líquida a pesar de su bajo peso molecular y que disuelva la sal o el azúcar) o las cargas electromagnéticas. La química supramolecular se explica mediante conceptos intuitivos, como la complementaridad o el reconocimiento molecular .

Estos términos son atractivos pero probablemente engañosos, ya que el reconocimiento implica generalmente memoria o inteligencia, que los químicos y los asistentes al congreso tienen pero las moléculas no (de ahí la broma), y la complementaridad es demasiado vaga y no permite hacer predicciones cuantitativas.

Ante este problema, los investigadores mexicanos utilizaron la mecánica estadística para tratar de explicar la base física de la complemetaridad, lo que les permitió hacer predicciones mensurables y, por lo tanto, compararlas con resultados experimentales.

UNIONES LLAVE-CERRADURA

El concepto más común para explicar las interacciones supramoleculares es el de modelo de llave-cerradura propuesto por Emil Fischer, Premio Nobel de Química 1902, y posteriormente desarrollado por Cram, Pedersen y Lehn (Premios Nobel de Química 1987, por su contribución al desarrollo y uso de moléculas con interacciones estructurales específicas de gran selectividad).

Bajo ese modelo, las estructuras moleculares complementarias, como una llave y una cerradura, se unen temporalmente. De acuerdo con Lozada-Cassou la química supramolecular es reversible, es decir, no se generan enlaces permanentes como en el caso del enlace covalente , no se forma una nueva molécula que no pueda desarmarse . Pero el armado no se había explicado.

La hipótesis de Lozada-Cassou y Odriozola es que la unión entre moléculas complementarias (digamos llave y cerradura ) en una solución, aunque tenga una apariencia más ordenada que si no se unen, es en realidad un estado más desordenado si se considera a las moléculas del solvente, es decir, aumenta la entropía (lo cual se favorece según la Termodinámica o es una distribución más frecuente según la Mecánica Estadística).

DEMOSTRACIÓN EXPERIMENTAL

El modelo de los investigadores fue lo más sencillo posible: unas esferas con una muesca en la que caben otras esferas más pequeñas. Y pueden hacer predicciones de cómo se unirán unas a otras en solución, considerando que están en un solvente.

Las partículas de solvente, mucho más abundantes y pequeñas que las esferas, están más ordenadas (o tienen menos grados de libertad) cuando ocupan la muesca y menos cuando no la ocupan. Por lo que, estadísticamente, es más probable que el sistema se encuentre en los estados en que las grandes esferas están unidas que en los estado en que no lo están.

Los mexicanos hicieron simulaciones en computadora para comprobar su teoría, pero, a partir de un artículo de ellos publicado en 2008, un grupo de investigadores (Sacanna y colaboradores, Nature 2010) hizo una demostración experimental con estructuras medibles en micrómetros ( en esta escala seguro no hay puentes de hidrógeno ni interacciones electrostáticas que pueden existir a unos pocos nanómetros , explica Lozada), y obtuvieron los resultados que se podían calcular con el modelo de los mexicanos, tanto en las formas que hacen las estructuras al unirse, como en los números.

LAS APLICACIONES

Si se puede predecir cómo se unirán las estructuras de la química supramolecular, explica Lozada, entonces si se diseñan estas cosas –partículas o macromoléculas- uno puede aventarlas en una cubeta de agua u otro solvente y ellas se autoensamblan .

Las posibilidades del autoensamblaje son muchísimas, desde pequeñas maquinitas para recoger petróleo que se haya quedado en las rugosas superficies rocosas del fondo marino, hasta las computadoras.

Yo puedo hacer hoy en el laboratorio un nanoalambre y lo puedo conectar con moléculas para hacer un nanotransistor. Pero una computadora ocupa alrededor de 10,000 transistores aproximadamente, hacerlos de uno en uno sería complicado, podríamos requerir la fuerza de trabajo de todo el país o de toda China para hacer unas cuantos nanotransistores. Pero si se autoensamblan...

Y se pueden meter 10,000 transistores moleculares en la cabeza de un alfiler, ahí está la promesa , apunta Lozada.

Además, el trabajo de Lozada-Cassou y Odriozola permitiría ayudar a explicar las reacciones enzimáticas de los procesos bioquímicos y diseñar macropartículas con propiedades particulares.

EL MEJOR LUGAR

Hacia el fin de la entrevista, confesamos a Lozada que nos sorprende un poco encontrar un estudio de ciencia tan básica hecha en el Instituto Mexicano del Petróleo, donde se podría suponer que se dedican a desarrollar aplicaciones.

Claro -contesta el científico y tecnólogo que cuenta con 49 patentes-, pero para desarrollar una tecnología hay que entender cómo funcionan las cosas. Nosotros no entendíamos e hicimos este trabajo para entender.

Creo que el IMP es el mejor lugar en México para llevar a cabo todo el camino, desde la ciencia básica hasta la aplicación tecnológica y la puesta en el mercado , dice enfático el científico, quien es en sí mismo una personificación de esta capacidad, ya que, además de hacer estudios teóricos como el aquí descrito y participar en los desarrollos que han conducido a las patentes, cuenta entre sus obligaciones cotidianas platicar con clientes.

¿Tener 49 patentes no es un récord nacional en un país que genera unas 200 al año?

Uy, pues no lo sé... Pero sí le puedo decir, aunque no me gusta presumir, que en México el IMP es el que más patentes genera y que mi grupo es el más productivo aquí...

elizabeth.ruiz@eleconomista.mx