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Hola y bienvenidos de nuevo a mi blog ‘Huele a Química’. Porque la Química, efectivamente, huele, y todo lo que huele es, efectivamente, Química.


Me encuentro en la recta final de la presentación de mi tesis doctoral que, como ya sabréis, he realizado en la Universidad de Valencia. Con motivo de una jornada de divulgación de tesis doctorales que la UV ha promovido este año, escribí un resumen de toda mi tesis en tan solo 1.500 palabras, con un espíritu altamente divulgativo.

Quiero compartirlo con vosotros, para que conozcáis más sobre mi tesis doctoral. Espero que os guste.


Complejidad molecular: el arte de controlar lo incontrolable

 Pedro Juan Llabrés Campaner (@hueleaquimica)

 Químico Orgánico

La tesis doctoral que he desarrollado en el Departamento de Química Orgánica de la Universitat de València es uno de los claros exponentes de la multidisciplinariedad que requiere hoy en día la ciencia. Un científico no puede permitirse encerrarse en una rama de su campo de investigación y centrar todo su esfuerzo en un tema unidireccional, sino que debe ampliar su espectro de visión e incluir conceptos y conocimientos de otras ramas y ciencias.

Mi tesis doctoral tiene como eje principal la complejidad molecular. Esto es, cómo un sistema muchas veces no puede entenderse únicamente como la suma de las partes que lo componen, sino que constituye en algo más, mejor e imprevisible.  

Y con la complejidad molecular como piedra angular, me centro en tres ejemplos concretos: la molécula de glicoaldehído, la molécula de diquat y los MOF.

Por una parte, el glicoaldehído es una molécula muy sencilla, compuesta únicamente por 2 carbonos, 2 oxígenos y 4 hidrógenos.

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A priori, con esta composición atómica (que comparte con muchísimas otras moléculas) nada hace presagiar sus increíbles propiedades y la importancia que tiene:

  • por una parte, se especula con que es esencial en el origen de la vida, ya que está implicada en la ruta sintética que va desde el formaldehído simple hasta azúcares complejos como la ribosa, y desde ahí hasta el propio ARN. Además, tanto el formaldehído como el glicoaldehído han sido observados en el espacio exterior, siendo importantes también en el campo de la astrobiología y en la búsqueda de posible vida extraterrestre.

  • por otro lado, sus propiedades químicas intrínsecas la hacen una molécula muy difícil de manejar para los químicos, ya que reacciona extraordinariamente rápido (con agua y con ella misma) y es imposible de aislar. De hecho, la única forma comercial de obtenerla es en forma de mezcla con otros derivados.

Sin embargo, en nuestro laboratorio, conseguimos utilizar y controlar el glicoaldehído en nuestro favor para llevar a cabo un proceso de obtención de moléculas de gran interés para la industria farmacéutica de una manera muy “verde” y barata. Este proceso, que desarrollamos y optimizamos, fue satisfactoriamente patentado y se espera que pueda ser de gran utilidad para empresas que desarrollen fármacos y quieran utilizarlo para crear nuevos, de una manera más sencilla, más barata y menos contaminante.

Siguiendo con la idea de la complejidad molecular, abandonamos la complejidad estructural del glicoaldehído para poner nuestra atención en la complejidad supramolecular de la molécula de diquat.

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Esta molécula, aparentemente sencilla, es uno de los más potentes herbicidas utilizados comercialmente hasta hace algunos años, cuando se prohibió su uso debido a que podía causar daños incluso en humanos.

Su modo de actuación consiste en su interacción con el ADN de las células, inhabilitándolo y provocando la muerte celular. Esta interacción se basa en enlaces débiles entre el diquat y la hebra de ADN. Enlaces que se generan a distancias elevadas, pero suficientes como para desestabilizar todo el sistema.

En este contexto, en nuestro laboratorio tratamos de ejercer control sobre la actividad de esta molécula, sintetizando análogos a ella, pero añadiendo algunas mejoras controladas. Así, pudimos modular el modo de interacción con el ADN, haciéndolo más o menos agresivo.

De este modo, generamos unos posibles candidatos a herbicidas más selectivos, que resulten seguros para su uso habitual. O bien, el uso de esos compuestos puede desembocar en otros tipos de fármacos selectivos frente ADN para el tratamiento del cáncer.

Finalmente, el último caso de complejidad molecular que exploramos fue el de los MOF, los cuales son el ejemplo más claro de esta tesis de que el todo es mucho más que la suma de las partes.

MOF son las siglas en inglés de Metal-Organic Frameworks o Redes Metalo-Orgánicas, y hace referencia a unos compuestos macro-moleculares (moléculas de gran tamaño) formados por átomos metálicos y moléculas orgánicas, creando estructuras tridimensionales.

En los MOF, los átomos metálicos se encuentran unidos en el espacio por conectores, que en este caso son las moléculas orgánicas. El conjunto es una estructura que se expande en las tres dimensiones formando compuestos macro-moleculares. En la imagen de abajo se muestra una celda de MOF cúbica, pero también los hay de otras geometrías.

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¿Y dónde reside la ‘magia’ de estas estructuras? Mirando la figura de abajo, corresponde a lo que se llama una ‘celda unidad’, es decir, un hueco o cavidad en la que se puede alojar una molécula (vemos la esfera amarilla, que simboliza una molécula). Al extenderse la estructura en las tres dimensiones, las celdas se multiplicarán exponencialmente cuanto más grande se haga, y la estructura contará con millones y millones de ellas, convirtiéndose en una estructura porosa, muy porosa.

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De hecho, el área que tiene 1 solo gramo de MOF es equivalente al de…¡40 pistas de tenis! ¿Cuántas moléculas caben en 40 pistas de tenis?

La aplicación más extendida de los MOF hoy en día es la de almacenamiento de gases. Gases como el oxígeno (O2), el nitrógeno (N2), el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4) pueden ser almacenados dentro de estas estructuras.

La ventaja principal con respecto a otros sistema de almacenamiento reside en su relación tamaño:capacidad. Al ser estructuras tan porosas, ordenadas y regulares, cada molécula puede ocupar una de las celdas que hemos comentado, quedando ordenadamente colocadas dentro de la estructura. Es precisamente el orden el que hace que, en el mismo espacio, la capacidad de almacenamiento sea mucho mayor si se utilizan MOF. En la imagen se pueden ver incluso varias moléculas dentro de una misma celda unidad, dependiendo del tamaño de celda.

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En los tanques y balas habituales de almacenamiento de gases, éstos se encuentran confinados a elevadas presiones, y se deben diseñar contenedores físicos capaces de soportarlas sin explotar. En cambio, al introducir gases en los MOF, esa presión no existe, ya que se encuentran estables y ordenados en la estructura. Además, el material es más barato, ligero y manejable que las balas y tanques.

Actualmente, ya hay tecnologías que incluyen el uso de MOF. Algunas empresas tecnológicas utilizan estas estructuras para aplicaciones tan diversas como capturar el CO2 resultante de la quema de combustibles fósiles; almacenar gas natural utilizado para mover coches; purificar gas natural en su interior; y otras aplicaciones emergentes como el almacenamiento y liberación controlada de fármacos.

Así, las aportaciones que hemos hecho en el laboratorio a este campo tan prometedor, son:

  • Por una parte, obtuvimos un MOF transparente, con el objetivo de estudiar el comportamiento de moléculas en su interior al ser irradiadas con luz. De esta manera, vimos que el MOF se comporta como una especie de disolvente sólido, y las moléculas en su interior se comportaban como su estuvieran disueltas en un medio líquido. Esto permite introducir moléculas no gaseosas en el interior del MOF y que se encuentren estables, como si estuvieran disueltas.

  • Por otro lado, tratamos de sintetizar MOF de un tamaño mayor que el que se solía obtener (polvo microscópico). Nuestra intención era obtener cristales únicos de MOF (de aproximadamente 1 mm de arista) para poder ser estudiados individualmente, facilitando su manejabilidad a la hora de moverlos y tratarlos. Además, nos marcamos como objetivo saber controlar el tamaño del MOF y también del poro, para alojar moléculas de distinto tamaño.

  • Finalmente, la combinación de estas dos investigaciones (conocimientos en la obtención de cristales grandes y la introducción de moléculas en su interior), nos llevó a la idea de utilizar los MOF como encapsuladores y liberadores de fármacos. El objetivo final al que conduce esta investigación es al de obtener cristales grandes y manejables de MOF, introducirles una gran cantidad de fármaco en su interior (el cual estaría estable ya que se encontraría “disuelto”), inyectar quirúrgicamente el MOF subcutáneamente en la zona localizada de una enfermedad, y que el fármaco se liberara y actuara lentamente sobre la zona de acción. Es un claro ejemplo de medicina localizada, personalizada y controlada, que podría ser de gran utilidad para enfermedades localizadas como el cáncer.

 

Con estas tres líneas de investigación, tan dispares pero con tanto en común, mi tesis explora el dominio de sistemas químicos complejos para poder ser usados como elementos de ayuda en la salud de la población. Desde la obtención más barata de fármacos, pasando por el control en la toxicidad de herbicidas, hasta los tratamientos médicos localizados en la zona conflictiva.

Lamentablemente, ninguno de estos puntos es real (aún) hoy en día, y cada uno de los trabajos requerirán de posteriores y más complejos estudios para hacerlos realidad en el futuro. Pero, sin ciencia básica, no puede haber ciencia aplicada y, por tanto, ambas son una.

 

Gracias.

 

Pedro Juan Llabrés Campaner    

 

 

 

 

 

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