Perfumería bacteriana

Desde una fragancia de flores que parece traída por la brisa matinal, hasta el aroma de arándanos a punto de ser comidos, los perfumes que se perciben en el laboratorio de Shota Atsumi del Departamento de Química en la Universidad de California en la ciudad estadounidense de Davis, parecen fáciles de identificar, pero su origen no es el que podríamos suponer. Ni flores, ni bayas, ni otras de las fuentes tradicionales de esas fragancias son el origen de los aromas elaborados en el laboratorio. Los artífices de los olores son nada más ni nada menos que bacterias, modificadas para que realicen trabajos químicos de perfumería.

Concretamente, estas bacterias producen ésteres, que son sustancias ampliamente usadas para colonias y aromatizantes, así como también en procesos químicos para elaborar pinturas, combustibles y otros productos.

Infinidad de sustancias químicas industriales, desde aromatizantes artificiales hasta pinturas, derivan de combustibles fósiles. El equipo de Atsumi aspira a cambiar esta situación, desarrollando una vía, industrialmente útil, para elaborar productos equivalentes pero hechos a partir de recursos renovables.

En las fábricas convencionales, los ésteres se elaboran por vía química, mediante la reacción entre un alcohol y un ácido orgánico. Pero la termodinámica de esta reacción significa que tiende a funcionar en sentido contrario; es más fácil descomponer un éster que formarlo.

Las células vivas pueden también fabricar ésteres. Por ejemplo, las levaduras producen pequeñas cantidades de ésteres que les dan sabores al vino y la cerveza, sin requerir altas temperaturas o condiciones muy especiales.

En pocas palabras, la reacción es químicamente difícil pero biológicamente fácil.

Introduciendo el pequeño cambio adecuado a cada caso en la enzima usada, se cambia el tipo de éster que la bacteria produce.

El equipo de Atsumi, Gabriel Rodríguez y Yohei Tashiro tomó genes responsables de ciertas vías bioquímicas de levaduras y los introdujo dentro de bacterias Escherichia coli. Los ajustes oportunos permiten a estos científicos seleccionar qué éster quieren que las bacterias elaboren.

La técnica abre un camino prometedor hacia la producción de muchos ésteres diferentes en sistemas biológicos. La materia prima que emplean las bacterias está basada en azúcares, los cuales se pueden obtener de la biomasa renovable. La meta final del equipo de Atsumi es lograr la incorporación de estas vías biológicas en cianobacterias (conocidas popularmente como algas verdeazules), organismos unicelulares que pueden extraer energía directamente de la luz solar y el carbono de la atmósfera.

Nobel de Química para los científicos que retratan las moléculas de la vida

Pronto se podrán obtener imágenes detalladas de las complejas maquinarias de la vida en resolución atómica gracias a los ganadores del Premio Nobel de Química de este año: Jacques Dubochet, de la Universidad de Lausana (Suiza); Joachim Frank, de la Universidad de Columbia (EE UU), y Richard Henderson del MRC Laboratory of Molecular Biology de Cambridge (Reino Unido).

La Academia Sueca de las Ciencias se lo ha otorgado hoy "por el desarrollo de la criomicroscopía electrónica, que permite determinar en alta resolución las estructuras de biomoléculas en solución". Este método, que simplifica y mejora la obtención de imágenes de moléculas de la vida, ha llevado a la bioquímica a una nueva era.

Las imágenes son claves para entender los procesos. Los descubrimientos científicos a menudo se basan en la visualización exitosa de objetos invisibles al ojo humano. Sin embargo, hasta ahora los mapas bioquímicos se han llenado de espacio en blanco porque la tecnología disponible ha tenido dificultades para generar imágenes de gran parte de la maquinaria molecular de la vida.

Pero ahora la llamada criomicroscopia electrónica lo cambia todo. Los científicos pueden congelar las biomoléculas en pleno movimiento y visualizar procesos que nunca antes habían visto, lo que es decisivo tanto para la comprensión básica de la química de la vida como para el desarrollo de productos farmacéuticos.

Durante mucho tiempo se creyó que los microscopios de electrones eran adecuados solo para la obtención de imágenes de materia muerta, porque el poderoso haz de electrones destruye el material biológico. Pero en 1990, el escocés Richard Henderson (Edimburgo, 1945) logró por fin utilizar un microscopio electrónico para generar una imagen tridimensional de una proteína a resolución atómica. Este avance demostró el potencial de la técnica.

Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson, ganadores del Premio Nobel de Química 2017. (Foto: NobelPrize)

Por su parte, el químico alemán Joachim Frank (Siegen, 1940) hizo que esta tecnología fuera aplicable en general. Entre 1975 y 1986 desarrolló un método de procesamiento de imágenes en el que las imágenes bidimensionales difusas del microscopio electrónico se analizan y se fusionan para revelar una estructura tridimensional definida.

Y la aportación del suizo Jacques Dubochet (Aigle, 1942) fue el uso del agua en la microscopía electrónica. El agua líquida se evapora en el vacío del microscopio electrónico, lo que hace que las biomoléculas se derrumben. Sin embargo, a principios de los años ochenta, Dubochet consiguió vitrificar el agua: enfrió el agua con tanta rapidez que se solidificó en su forma líquida alrededor de una muestra biológica, permitiendo que las biomoléculas conservasen su forma natural incluso en el vacío.

Después de estos descubrimientos, todas las piezas del microscopio electrónico han sido optimizados. La resolución atómica deseada se alcanzó en 2013, y los investigadores ahora pueden producir de forma rutinaria estructuras tridimensionales de biomoléculas. En los últimos años, la literatura científica se ha llenado de imágenes de todo tipo, desde proteínas que causan resistencia a los antibióticos, hasta la superficie del virus Zika. La bioquímica se enfrenta ahora a un desarrollo explosivo y está preparada para un futuro emocionante. (Fuente: Nobel Prize)

Inventan un proceso para fabricar goma y plástico renovables

La goma y los plásticos sintéticos, utilizados para fabricar neumáticos, juguetes y muchos otros productos, se producen a partir de butadieno, una sustancia tradicionalmente hecha con petróleo o gas natural. Pero estos materiales artificiales podrían llegar a ser pronto mucho más ecológicos (y renovables), gracias al ingenio de un equipo de científicos de la Universidad de Delaware, la de Minnesota y la de Massachusetts, las tres en Estados Unidos, el cual ha inventado un proceso para fabricar butadieno a partir de fuentes renovables como árboles, hierbas y grano.

El equipo de Dionisios Vlachos (Universidad de Delaware) combinó un catalizador, que él y sus colegas descubrieron recientemente, con algunas innovaciones químicas muy prometedoras, para hallar el método de fabricación de butadieno capaz de ofrecer la mayor producción y el menor coste.

El butadieno es un componente químico esencial en una amplia gama de materiales de uso común. Cuando esta molécula con cuatro átomos de carbono sufre una reacción química que provoca la formación de unas cadenas largas llamadas polímeros, se produce caucho de estireno butadieno , que se utiliza en neumáticos de automóviles resistentes a la abrasión. Cuando este material se mezcla con caucho de nitrilo butadieno, se convierte en el componente principal de mangueras, juntas de estanqueidad y guantes de goma.

El equipo de Dionisios Vlachos ha inventado un proceso para fabricar butadieno con fuentes renovables

En el mundo de los plásticos, el butadieno es un componente químico esencial en el acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS por sus siglas en inglés), un plástico duro que puede ser moldeado para conseguir las formas rígidas deseadas. El plástico duro ABS se usa para fabricar consolas de videojuegos, piezas de automoción, productos deportivos, dispositivos médicos y piezas para juegos de construcción, entre otros.

La química saca los colores a la escultura clásica romana

A simple vista, las grandes estatuas romanas que llenan las calles de roma, los museos arqueológicos de media Europa y siguen apareciendo en los yacimientos arqueológicos del territorio que ocupó el antiguo Imperio son de un blanco casi inmaculado. Así llevan siglos presentándose ante los ojos de quienes han querido mirarlas con más o menos pasión. Los artistas renacentistas las idolatraron y considerado un ejemplo de virtuosismo artístico. El arte clásico fue considerado la esencia del genio humano. Miguel Ángel creó su David y su Piedad imitando a los escultores griegos y romanos, tallando en la inmaculada piedra dos de las grandes obras de la Historia Universal del Arte.  Se le olvidada, sin embargo, un detalle. Las estatuas romanas no fueron blancas en su origen, estaban laboriosamente pintadas de vivos colores aunque ni los ojos de los renacentistas ni de cualquier persona sea capaz de verlos.

Así lo han sospechado durante décadas los arqueólogos y así lo ha demostrado recientemente la ciencia. Uno de los últimos trabajos en este sentido ha sido el publicado por un equipo de investigación español de la Universidad de Córdoba en el Instituto de Química Fina y Nanoquímica en la revista Microchemical Journal, en la que constatan la existencia de pigmentos de amarillo, azul y rojo en tres grandes estatuas aparecidas en el yacimiento arqueológico de Torreparedones (Baena, Córdoba), cuyas excavaciones dirige el profesor Carlos Márquez.

Para sacar los colores a las esculturas, el equipo de la UCO, perteneciente al Departamento de Química Orgánica, ha recurrido a la espectrometría Raman, consistente en irradiar la muestra con un láser y medir la luz dispersada, correlacionando el número de onda de dicha luz dispersada con diferentes enlaces químicos que hacen posible determinar la naturaleza del pigmento empleado en la pintura.

Según detallan en el artículo, para conseguir conocer los colores concretos que adornaron las vestimentas de los emperadores Augusto y Claudio y la que posiblemente representara a Livia, esposa del primero de ellos, los investigadores de la UCO calibraron el espectrómetro de acuerdo con los materiales que se pensaba que eran utilizados para colorear este tipo de estatuas. Tras someter las tres esculturas a este análisis, los investigadores concluyeron que los artistas de la Bética emplearon el oxihidróxido de hierro (goethita) para conseguir el amarillo, el óxido de hierro (hematites) para el rojo y el “azul egipcio”, un pigmento conocido desde la antigüedad, sintetizado a base de arena silícea, calcita y cobre.

El virtuosismo de aquellos antiguos pintores de estatuas no se limitó a emplear los colores planos, sino que los mezclaron con carbonato y fosfato cálcico y sulfatos para matizarlos, logrando diferentes tonalidades y dotando a sus esculturas de una profundidad, que, si se hubieran conservado, probablemente hubieran impresionado como hizo todo su arte a los renacentistas. (Fuente: UCO)

Un material capaz de convertir al mismo tiempo luz, calor y movimiento en electricidad

Nos rodean muchas formas de energía: la luz solar; el calor generado por infinidad de procesos naturales o de manera residual por máquinas; e incluso nuestros propios movimientos. Toda esa energía, desperdiciada normalmente, puede llegar a alimentar nuestros aparatos electrónicos portátiles o ponibles, desde sensores biométricos a relojes inteligentes. Ahora, unos investigadores de la Universidad de Oulu en Finlandia han encontrado que un material con una estructura idónea de cristal de perovskita posee las propiedades adecuadas para extraer energía de múltiples fuentes a un tiempo.

Las perovskitas son una familia de minerales, la estructura de muchos de los cuales ha demostrado ser prometedora a la hora de recolectar uno o dos tipos de energía a un tiempo, pero no todos simultáneamente. Un miembro de la familia puede ser bueno para células solares, con las propiedades adecuadas para convertir energía solar en electricidad de forma eficiente. Mientras tanto, otros pueden ser buenos en aprovechar la energía de los cambios en la temperatura, así como de los cambios en la presión, que pueden surgir del movimiento, lo que les convierte, respectivamente, en materiales piroeléctricos y materiales piezoeléctricos.

Aprovechar un solo tipo de energía no es lo ideal, ya que no tiene por qué estar disponible siempre, como por ejemplo ocurre con la luz solar, ausente durante la noche. Conviene pues tener dispositivos capaces de aprovechar varios tipos simultáneamente. Ya ha habido investigadores que han desarrollado dispositivos que pueden aprovechar múltiples formas de energía, pero precisan también de múltiples materiales, aumentando irremediablemente el tamaño de lo que se supone debería ser un dispositivo pequeño y portátil.

Han comprobado que un tipo específico de perovskita llamado KBNNO podría ser capaz de aprovechar muchas formas de energía. Como todas las perovskitas, el KBNNO es un material ferroeléctrico, lleno de diminutos dipolos eléctricos.

Cuando los materiales ferroeléctricos como el KBNNO sufren cambios de temperatura, sus dipolos se desalinean, lo que induce una corriente eléctrica. La carga eléctrica se acumula también en función de la dirección a la que apuntan los dipolos. Deformar el material ocasiona que ciertas regiones atraigan o repelan cargas, generando de nuevo una corriente.

Otros investigadores estudiaron anteriormente las propiedades fotovoltaicas y ferroeléctricas generales de los materiales del tipo KBNNO, pero lo hicieron a temperaturas un par de cientos de grados por debajo del punto de congelación del agua, y no se centraron en propiedades relacionadas con la temperatura o la presión. El nuevo estudio representa la primera vez en que se examinan todas estas propiedades a un mismo tiempo y a temperatura mucho más elevada, incluso por encima de la temperatura ambiente típica.

Hacer que un material se pegue o despegue mediante luz

Los mecanismos adhesivos en el mundo natural, como los que usan los gecos y otros animales cuando andan cabeza abajo por el techo, tienen muchas ventajas: son siempre fuertemente adhesivos, no necesitan pegamentos y no dejan residuos.

Unos científicos de la Universidad de Kiel en Alemania están investigando cómo se podrían crear artificialmente estos mecanismos. Este equipo interdisciplinario de ciencia de los materiales, química y biología ha conseguido ahora desarrollar un material adhesivo bioinspirado que puede ser controlado remotamente usando luz ultravioleta. De este modo es posible lograr la adherencia de un objeto a una superficie y además transportarlo por ella con gran precisión. Este avance podría tener importantes aplicaciones en robótica, tecnología médica y diversos campos industriales.

El equipo de Emre Kizilkan desarrolló primero un material poroso elástico (LCE, o elastómero de cristal líquido) que se dobla cuando es iluminado con luz ultravioleta, debido a su estructura molecular especial. Mientras hacían eso, se dieron cuenta de que, cuanto más poroso era el material, más se doblaba. Así que los investigadores aprovecharon este hecho. Debido a sus estructuras, los materiales porosos pueden ser fácilmente incorporados a otros materiales. De modo que Kizilkan y sus colegas ensayaron lo que pasaba al combinar el material elástico que reacciona mucho a la luz, con un material que posee buenas propiedades adhesivas y que está inspirado en una clase de estructuras biológicas naturales.

El nuevo material compuesto consiste en dos sustancias: un material adhesivo (azul) y un elastómero de cristal líquido (amarillo). Este se dobla (doblando así a todo el material), cuando se le irradia con luz ultravioleta. La curvatura ocasiona que los elementos adhesivos se separen de la superficie sobre la cual el objeto estaba adherido. 

El resultado es un material adhesivo compuesto “inteligente” al que se puede controlar con luz. La superficie consiste en microestructuras adhesivas en forma de hongo, parecidas a las existentes en las patas de algunas especies de escarabajos. Cuando se ilumina con luz ultravioleta el material compuesto, se dobla. Debido a que la superficie del material se dobla también, cada vez más elementos adhesivos se sueltan de la superficie a la cual el objeto se había adherido, hasta poder desprenderse, moverse un poco más hacia la dirección deseada si es el caso, y reanudar de nuevo el ciclo de adhesión y liberación.

El diésel se enriquece con aditivos obtenidos por catalizadores sólidos menos contaminantes

Cuando alcancemos la mitad de este siglo, se prevé que en los países desarrollados se producirán 14 billones de litros de biodiesel al año. La cifra, calculada sobre la idea del agotamiento de los combustibles fósiles y las políticas de fomento de energías alternativas, hace pensar que para entonces se habrá avanzado tanto en el diseño de motores adecuados para el nuevo combustible como en la producción de biodiesel de calidad, algo imprescindible para ser realmente competitivo, así como en la valorización y gestión del principal residuo que ocasiona su producción: la glicerina. Y en ello están ingenieros y químicos de medio mundo. Entre ellos, el equipo de investigación FQM162, al que pertenece la catedrática de Química Orgánica de la Universidad de Córdoba (España), Felipa Mª Bautista, que acaba de encontrar un catalizador que permite dar un nuevo paso en los dos últimos aspectos señalados.

Concretamente, y según detallan en un artículo publicado en la revista Applied Catalysis firmado por el equipo de Bautista y el grupo FQM346, que dirige el profesor César Jiménez-Sanchidrián, el empleo de sílices combinadas con grupos sulfónicos para la transformación de la glicerina en sus correspondientes éteres, al reaccionar con el alcohol t-butílico, es considerablemente más eficaz y ventajoso, desde el punto de vista medioambiental, que el empleo de ácidos minerales. Y lo es por dos motivos fundamentales. El primero porque al ser un catalizador sólido, al final de la reacción, puede ser filtrado con facilidad y reutilizado en nuevas reacciones, y el segundo porque se obtiene un mayor rendimiento, lo que en química orgánica significa que a partir de una molécula de glicerina se consigue obtener más cantidad de éteres. De ellos, los di- y triéteres son los empleados como aditivos con los que enriquecer el diesel-biodiesel de forma que se obtenga un producto realmente competitivo de más fácil combustión y de menor viscosidad. Concretamente, según el trabajo reseñado en Applied Catalysis, con el catalizador de sílice sulfonada de la Universidad de Córdoba se consigue un rendimiento del 30% en dichos éteres frente al 20% de sus homólogos más populares, entre los que se encuentra uno de los catalizadores ácidos de referencia, la resina comercial, amberlita-15, que exhibe, además, una menor estabilidad térmica.

La síntesis de nuevas moléculas a partir de la glicerina está en el origen de multitud de productos cotidianos, muchos de ellos relacionados con la industria cosmética. El jabón o a crema facial que usan millones de personas en el mundo han requerido de una u otra forma de la química orgánica. El equipo de investigación de la Universidad de Córdoba lleva décadas trabajando en la obtención de catalizadores que faciliten y aceleren los procesos químicos que permitan la fabricación de todo tipo de productos. Su especialización en los procesos de producción de biodiesel a partir de la transformación de grasas naturales se inició hace décadas y le ha permitido obtener destacados resultados científicos. Su orientación ambientalista, por ejemplo, le llevó a la producción de biodiesel empleando enzimas, como catalizadores, que pueden sustituir a la sosa, habitualmente empleada, y mucho más contaminante. Esa “química verde” es la que preside su trabajo con catalizadores cada vez más eficientes, capaces de sustituir a los procesos clásicos, más contaminantes, y de conseguir más valor al compuesto, que hasta hace bien poco se consideraba un residuo, y hoy genera ingresos millonarios a algunas marcas: la glicerina. (Fuente: UCO)

¿Cómo se forman los misteriosos cristales de nieve hexagonales?

Las caprichosas y geométricas formas de los cristales que forman un copo de nieve se originan en condiciones de alta humedad. En atmósferas secas, los cristales adoptan una apariencia mucho más austera, con prismas hexagonales.

“Esta aparente sencillez esconde una complejidad asombrosa frente a los cambios de temperatura”, explica Luis González MacDowell, responsable del grupo de investigación de Interfaces Moleculares de la Universidad Complutense de Madrid (UCM).

Según bajan los grados, los prismas hexagonales achatados se alargan y adoptan forma de columna, un comportamiento que se repite varias veces. La clave parece estar en una fina capa de agua líquida que aparece sobre la superficie del hielo cuando este entra en contacto con la atmósfera. Los científicos han simulado por ordenador esta superficie a escala molecular.

“En nuestro análisis descubrimos que cuando se mira esta capa (de apenas un nanómetro) con mucho detalle, se comporta como si estuviese emparedada entre dos superficies de hielo-agua y agua-vapor”, explica González MacDowell, autor principal del estudio que se publica en Physical Review Letters.

Estas dos superficies (hielo-agua y agua-vapor) se comportan de manera distinta a alta y a baja temperatura.

Así, en condiciones muy frías, por debajo de -25 ºC o -20 ºC, los prismas hexagonales son más largos que anchos y presentan forma de columnas. Si se eleva la temperatura, entre -20 ºC y -10 ºC, los cristales pierden su altura y se transforman en prismas chatos. Cuando aumenta más allá de los -10 ºC, se vuelven a convertir en columnas, y vuelvan a achatarse si el mercurio sube a alrededor de los cero grados.

Cristales con formas hexagonales achatadas. 

Lo que se sabía hasta ahora es que el prisma adopta forma de columna cuando las bases crecen más rápido, mientras que toma una forma achatada si son los lados (la cara prismática) los más veloces.

“Esta explicación es incompleta puesto que no indica por qué las velocidades de crecimiento de las diferentes caras del prisma cambian con la temperatura. Eso es lo que hemos investigado nosotros”, señala Pablo Llombart, investigador del equipo y coautor del trabajo.

El estudio revela que dos grados por debajo del punto de fusión del hielo (a los 0 ºC), las fluctuaciones de los lados del prisma son pequeñas, como las de una superficie lisa. Por encima de esa temperatura se hacen muy grandes y aumentan a medida que crece el cristal, como en las superficies rugosas.

“Al convertirse en una superficie rugosa, su velocidad de crecimiento aumenta de forma abrupta, lo que indica la propensión de los cristales a crecer en forma de prismas hexagonales chatos, como se observa en la naturaleza”, explica Jorge Benet, investigación del equipo y coautor del estudio.

En su opinión, este hallazgo “es un pequeño paso, pero aún quedan unos cuantos más para llegar a entender por completo el misterio de los hábitos cristalinos del hielo atmosférico. Mucho campo abierto para seguir explorando este fascinante problema”. (Fuente: Universidad Complutense de Madrid)