Las diez tecnologías emergentes más importantes del 2021 en Química

Según la IUPAC

https://iupac.org/what-we-do/top-ten/

Las representaciones tridimensionales de moléculas son posibles gracias a 3Dmol.js:

Nicholas Rego and David Koes

3Dmol.js: molecular visualization with WebGL

Bioinformatics (2015) 31 (8): 1322–1324 https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu829

Índice

El objetivo del proyecto de la IUPAC de las Diez Tecnologías Emergentes Más Importantes en Química es mostrar el valor de la Química e informar al público en general de cómo las ciencias químicas contribuyen al bienestar de la sociedad y a la sostenibilidad del Planeta Tierra. Desde 2019, el Jurado1 selecciona las tecnologías emergentes sobre la base de las que se encuentran entre un nuevo descubrimiento científico y una tecnología plenamente comercializada, y las que tienen la mayor capacidad de abrir nuevas oportunidades en la química y más allá.

Tecnología de cadena de bloques (blockchain)

Avances digitales para una innovación química más reproducible y trazable

Solvay, Evonik y BASF son algunas de las empresas líderes mundiales que están explorando los usos de la tecnología blockchain en la química. Son muchos los que creen que esta tecnología es la clave para una ciencia más reproducible gracias a una de sus principales características: la trazabilidad.

Desde que Satoshi Nakamoto conceptualizara y diseñara la tecnología blockchain en 2008, creando la criptomoneda bitcoin, expertos de diversos campos han adaptado esta tecnología para desarrollar muchas otras aplicaciones. En Química, la tecnología blockchain se está utilizando para modernizar las cadenas de suministro, asegurando la trazabilidad y el seguimiento de todas las transacciones, desde las materias primas hasta el producto final. Se espera que la tecnología blockchain genere un valor comercial de más de tres billones de dólares para 2030.

Vida semisintética

Nuevas letras para ampliar la bioquímica y la terapéutica
Fuente: https://www.bbc.co.uk/programmes/w3csvrgv.
Fuente: https://www.bbc.co.uk/programmes/w3csvrgv.

Los alquimistas soñaban con transformar el plomo en oro. Hoy en día, los químicos fantasean con ampliar el código de la vida, un sistema universal para ocultar la información biológica. Desde que en 2014 un grupo de investigadores de Scripps consiguiera añadir dos letras al alfabeto genético, los científicos han conseguido expandir el alfabeto con nuevas bases, creando nucleótidos sintéticos y diseñando sistemas biológicos que interpretan y explotan estas letras no naturales. Se codifican así proteínas inusuales, que también presentan aminoácidos no tradicionales, ampliando los límites de la vida tal y como la conocemos y permitiendo toda una nueva gama de mejores terapias y soluciones médicas.

Supermojabilidad

Un descubrimiento centenario ofrece nuevas oportunidades
Fuente: https://www.nationalgeographic.com/animals/article/130401-geckos-stick-adhesive-reptiles-science-technology-animals.
Fuente: https://www.nationalgeographic.com/animals/article/130401-geckos-stick-adhesive-reptiles-science-technology-animals.

Thomas Young fue el primero en dar, en 1805, una definición del término mojabilidad —la capacidad de los líquidos para mantener el contacto con una superficie sólida—, basada en el ángulo de contacto que las gotas de líquido forman en la interfaz líquido-sólido.

Tras siglos de estudio del fenómeno, los científicos actuales son capaces incluso de modificarlo a voluntad, creando superficies nanoestructuradas2 en metales, polímeros, tejidos y más. La Química es, por supuesto, fundamental para estos diseños, que requieren técnicas de fabricación cuidadosamente controladas.

La supermojabilidad encuentra así aplicaciones en sensores, impresoras, dispositivos de almacenamiento de energía, eliminación de la contaminación, recogida de agua, y otras, como tejidos autolimpiables, separación de aceites y refrigeración.

Humus artificial

Soluciones de ingeniería de carbono negativo para una agricultura sostenible y eficiente
Imagen de [EliElschi](https://pixabay.com/es/users/elielschi-1987238/) en [Pixabay](https://pixabay.com/es/).
Imagen de EliElschi en Pixabay.

La agricultura, la ganadería y el uso de la tierra representan casi un tercio de todas las emisiones de efecto invernadero. Además de contribuir a la preocupante crisis climática, afectan directamente al rendimiento de los cultivos, y los informes del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) predicen que llegaremos a una situación crítica en 2030.

Una vez más, la química podría aportar una respuesta esperanzadora, una alternativa artificial a la materia húmica para una mejor gestión de los escasos recursos de nuestros suelos. Aunque esté escondida debajo de nosotros, la descomposición de la materia orgánica en materia húmica es el segundo proceso más importante del ciclo del carbono después de la fotosíntesis.

De entre los distintos enfoques para acelerar la descomposición de la materia orgánica, la humificación hidrotérmica está surgiendo como uno de los más atractivos. Consiste en cocinar la materia orgánica en agua caliente en presencia de cenizas básicas. Las condiciones específicas de estos procesos imitan los procesos geoquímicos naturales y dan lugar a una mezcla de productos comparable al humus natural.

Aparte de muchas otras ventajas, como la mejora de la fijación del agua y de los fertilizantes o la estimulación de la microbiología del suelo, el humus artificial es esencialmente negativo en cuanto al carbono, lo que sin duda allanará el camino hacia procesos agrícolas más sostenibles y eficientes.

Síntesis química de ARN y ADN

El futuro de los ácidos nucleicos en química medicinal después de las vacunas COVID
Imagen de [PixxlTeufel](https://pixabay.com/es/users/pixxlteufel-117549/) en [Pixabay](https://pixabay.com/es/).
Imagen de PixxlTeufel en Pixabay.

El año pasado, la IUPAC destacó el potencial de las vacunas de ARN para acabar con la COVID-19 y, muy probablemente, con muchas otras enfermedades en el futuro, como el cáncer, el VIH/sida y la gripe.

De las diez tecnologías escogidas, esta es probablemente la más establecida en el mercado3, gracias a los avances en la síntesis química de ácidos nucleicos, lo que hace que estas vacunas sean adaptables y versátiles, además de relativamente rápidas de fabricar.

Hoy en día, la síntesis de ácidos nucleicos ha avanzado lo suficiente como para obtener resultados que rozan la ciencia ficción, pudiéndose imprimir cadenas de ADN de forma directa y precisa en microrreactores de silicio —dispositivos con infinidad de aplicaciones en química, biotecnología y medicina. Compañías como Microsoft o Western Digital están explorando las posibilidades del ADN sintetizado químicamente para el almacenamiento de datos, con resultados muy prometedores.

El hecho de que desarrollos químicos de hace décadas encuentren aplicaciones tan importantes como el triunfo de las vacunas de ARN mensajero, demuestra que la financiación de investigación básica es primordial para el progreso.

Recubrimientos sonoquímicos

Materiales más seguros y duraderos con propiedades de valor añadido

La sonoquímica consiste en utilizar ultrasonidos para provocar o acelerar reacciones químicas. Este año la IUPAC destaca el potencial de la sonoquímica en el recubrimiento de superficies, una tecnología que contribuye directamente a varios Objetivos de Desarrollo Sostenible (SDGs por sus siglas en inglés).

De entre las distintas propiedades que confieren este tipo de tratamientos a una determinada superficie, como magnetismo o fluorescencia, destaca la actividad antimicrobiana, por su especial relevancia durante la pandemia de COVID-19. Nanopartículas de metales como plata, cobre y zinc pueden ser depositadas sobre textiles mediante recubrimientos sonoquímicos, para reducir así infecciones. Investigadores españoles han desarrollado un tejido inteligente a base de nanopartículas de azul de Prusia4 que cambia de color al contaminarse con cepas de bacterias patógenas.

Muestra de **azul de Prusia**. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pigment_Berliner_Blau.JPG.
Muestra de azul de Prusia. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pigment_Berliner_Blau.JPG.

Los recubrimientos sonoquímicos también ofrecen ventajas en los ámbitos de la seguridad alimentaria y la energía: el recubrimiento de fresas con compuestos antibacterianos prolonga su vida útil y el revestimiento de baterías de iones de litio proporciona un alto rendimiento y estabilidad.

Como tecnología emergente, los recubrimientos sonoquímicos deberían sobrevivir ahora al valle de la muerte y salvar con éxito la brecha con la industria.

Quimioluminiscencia para uso biológico

Dioxetanos solubles en agua mejoran la velocidad y la sensibilidad de las pruebas biológicas
[**Quimioluminiscencia**](https://es.wikipedia.org/wiki/Quimioluminiscencia) tras una reacción de [peróxido de hidrógeno (agua oxigenada)](https://es.wikipedia.org/wiki/Peróxido_de_hidrógeno) y [luminol](https://es.wikipedia.org/wiki/Luminol). Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chemiluminescence.jpg.
Quimioluminiscencia tras una reacción de peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) y luminol. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chemiluminescence.jpg.

La luminiscencia siempre ha fascinado al ser humano. Admirar el brillo verde de las luciérnagas y el azul de las algas es simplemente mágico. Los científicos han aprendido a aprovechar el poder de estas reacciones químicas: el luminol5 ayuda a los investigadores de la escena del crimen a detectar la sangre y la proteína verde fluorescente (GFP por sus siglas en inglés), ganadora del premio Nobel en 2008, ilumina las muestras biológicas, simplificando la microscopía.

Pincha aquí para interactuar con la molécula de luminol en 3D

Sin embargo, los científicos se esfuerzan por seguir mejorando las moléculas emisoras de luz para su aplicación en diodos eficientes, señalización de seguridad, estudios biológicos, etc. Recientemente, los investigadores han descubierto sondas quimioluminiscentes de alta eficacia con gran potencial para aplicaciones en biología, biotecnología y medicina. Basadas en dioxetanos—compuestos heterocíclicos orgánicos con fórmula molecular C2H4O2—, estas moléculas brillan notablemente en condiciones fisiológicas, a veces miles de veces más que las soluciones anteriores. Y lo que es más importante, los dioxetanos cumplen perfectamente su función en el agua, a diferencia de sus competidores, que necesitan disolventes orgánicos.

Pincha aquí para interactuar con la molécula del 1,2-dioxoetano en 3D

Esta tecnología emergente se encuentra todavía en una fase inicial, pero ya han surgido muchas aplicaciones interesantes. Entre otras, las sondas de dioxetano resultan muy prometedoras para detectar ciertos tipos de tumores, e incluso ayudan a diferenciar entre subtipos de cáncer. También permiten la detección ultrasensible de bacterias patógenas como la Salmonella y la Listeria, vinculadas a graves enfermedades alimentarias que aún hoy causan graves problemas.

[Microscopía electrónica](https://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_electrónico) de *Salmonella typhimurium*. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SalmonellaNIAID.jpg.
Microscopía electrónica de Salmonella typhimurium. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SalmonellaNIAID.jpg.

Además, los dioxetanos brindan interesantes oportunidades en el campo de la imagen de células vivas, lo que podría acelerar la comprensión de los procesos bioquímicos fundamentales, así como proporcionar nuevas herramientas de diagnóstico sensibles. Algunas moléculas presentan incluso emisión en la región del infrarrojo cercano, una longitud de onda con mayor penetración que la luz visible, lo que abre la puerta a diagnósticos no invasivos y tratamientos localizados.

Biosynth Carbosynth es una de las primeras empreas que ha mostrado interés por este tipo de compuestos, declarando que su potencial es enorme y es probable que mejore drásticamente la velocidad de las pruebas biológicas. Las barras luminosas también brillan gracias a los dioxetanos. Tal vez las sondas de dioxetano solubles en agua se vuelvan igualmente populares.

[Barras luminosas](https://es.wikipedia.org/wiki/Barra_luminosa) de diferentes colores para su uso como pulseras. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Various_glowsticks_on_a_black_background_in_rings.JPG.
Barras luminosas de diferentes colores para su uso como pulseras. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Various_glowsticks_on_a_black_background_in_rings.JPG.

Producción sostenible de amoniaco

Alternativas ecológicas al proceso de Haber-Bosch

El proceso de Haber-Bosch para la síntesis de amoniaco es una de las reacciones químicas más exitosas de todos los tiempos. Permite transformar el nitrógeno atmosférico—muy inerte, gracias al segundo enlace químico más fuerte de una molécula diatómica6— en amoniaco y, a continuación, en nitratos y nitritos, que se utilizan en todas las industrias para fabricar fertilizantes, plásticos, fibras, refrigerantes, etc. Esta única reacción catapultó el boom demográfico del siglo XX y actualmente produce más de 200 millones de toneladas métricas de amoniaco al año.

Diagrama del **proceso de Haber-Bosch**. Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Haber-Bosch-es.svg.
Diagrama del proceso de Haber-Bosch. Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Haber-Bosch-es.svg.

Sin embargo, todo esto tiene un alto coste: la producción de amoniaco emite más dióxido de carbono que cualquier otro proceso industrial, sin tener en cuenta toda la transformación posterior en diferentes productos químicos. Los químicos necesitan una alternativa sostenible para producir amoniaco y eliminar los fuertes vínculos con los combustibles fósiles y las emisiones de efecto invernadero.

Para lograrlo, prevén dos estrategias complementarias. Por un lado, buscan inspiración en la naturaleza—en particular, en las nitrogenasas de las bacterias y cianobacterias, que reducen el dinitrógeno gracias a un cofactor de hierro y molibdeno. Los estudios recientes no hacen más que mostrar la sabiduría de la evolución: pocos metales superan el rendimiento de los dos que están presentes de forma natural en las enzimas. Sin embargo, también favorecen la evolución del hidrógeno, una reacción competidora no deseada, y sólo el diseño racional de los catalizadores mejorará la selectividad del proceso hacia la reducción del nitrógeno.

Pincha aquí para interactuar con la molécula de nitrogenasa en 3D

Por otro lado, los químicos aprovechan el poder de la electricidad para romper el triple enlace nitrógeno-nitrógeno y, al mismo tiempo, cosechar átomos de hidrógeno del agua. Si la energía utilizada procede de fuentes renovables—eólica, hidroeléctrica, solar— el proceso se vuelve doblemente sostenible, ya que evita depender del hidrógeno obtenido de la reforma de los combustibles fósiles. El principal reto es reducir el potencial eléctrico necesario, maximizando al mismo tiempo la actividad y la selectividad. Hasta ahora, las soluciones actuales están lejos de superar el atractivo de Haber-Bosch, por lo que varias empresas y organismos de financiación están apoyando la investigación para que la producción de hidrógeno sea más ecológica.

Fuente: http://global.chinadaily.com.cn/a/202111/18/WS6195ab5ba310cdd39bc75fe7.html.
Fuente: http://global.chinadaily.com.cn/a/202111/18/WS6195ab5ba310cdd39bc75fe7.html.

Además, el amoniaco técnicamente almacena el hidrógeno, un combustible verde que sólo produce agua cuando se quema, y podría incluso convertirse en una alternativa a los combustibles fósiles por sí mismo. Investigadores australianos son optimistas y prevén el éxito de la economía del amoniaco para 2040. Antes de eso, desarrollaremos tecnologías de captura de carbono para disminuir el impacto de la producción de Haber-Bosch, y luego trasladaremos este proceso a fuentes de hidrógeno renovables. En la última fase de su hoja de ruta, el amoniaco procederá exclusivamente de la reducción electroquímica del dinitrógeno, eliminando las emisiones de carbono en todo el proceso.

Aunque todavía se están llevando a cabo muchos estudios fundamentales, algunas soluciones para la fabricación de amoniaco verde ya han alcanzado un alto nivel de madurez tecnológica (TRLs por sus siglas en inglés), incluyendo los esfuerzos privados de Yara (Australia), Hiringa Energy (Nueva Zelanda), Topsoe (Dinamarca) e Iberdrola (España). Los fertilizantes, los plásticos y los combustibles ecológicos acompañarán al amoniaco sostenible, contribuyendo a Objetivos de Desarrollo Sostenible en todos los ámbitos, desde la energía limpia y la agricultura eficiente hasta las ciudades sostenibles y la producción responsable.

Degradación selectiva de proteínas

Aprovechar la maquinaria de nuestras células para revolucionar la farmacia
Foto de [Christina Victoria Craft](https://unsplash.com/@victoriabcphotographer) en [Unsplash](https://unsplash.com).
Foto de Christina Victoria Craft en Unsplash.

Como ya se ha dicho, los químicos y los bioquímicos suelen inspirarse en la naturaleza. Una vez más, este es exactamente el caso de la degradación selectiva de proteínas (TPD por sus siglas en inglés), una innovadora herramienta química con gran potencial terapéutico. El principio es bastante sencillo: aprovechar las vías de degradación de nuestras propias células para erradicar las proteínas problemáticas.

Esta tecnología ha atraído inversiones multimillonarias, ha estimulado la creación de startups e incluso ha puesto en marcha diversos ensayos clínicos. La clave de la TPD son las pequeñas moléculas que desencadenan la proteólisis, a menudo conocidas como PROTACs por sus siglas en inglés. Su estructura está ingeniosamente diseñada para secuestrar las enzimas que degradan las proteínas y vincularlas a una diana específica, que luego se elimina en lugar de la víctima original. El potencial para la química medicinal es enorme.

Las PROTACs de diseño racional (así como otras moléculas con efectos similares) son muy prometedores para el tratamiento del cáncer. Arvinas, una empresa pionera derivada de la Universidad de Yale, ha iniciado ensayos clínicos con candidatos a fármacos contra el cáncer de mama y de próstata basados en moléculas TPD, proporcionando los primeros datos en humanos de esta tecnología.

Más allá del cáncer, los investigadores exploran las posibilidades de la TPD para tratar enfermedades relacionadas con la acumulación de proteínas, incluidas las enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson y el Alzheimer. Los estudios preliminares muestran que la TPD mediada por PROTACs es una buena estrategia para provocar la eliminación de ciertas agregaciones de proteínas—entre ellas la proteína tau patógena, vinculada al Alzheimer. El experto en TPD Craig Crews, cofundador de Arvinas, predice que estos resultados son sólo el principio de una nueva revolución en la industria farmacéutica. Desde luego, se trata de una tecnología emergente y esperanzadora.

Metabolómica unicelular

Análisis de biomoléculas, célula a célula
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El año pasado, la iniciativa de las diez tecnologías emergentes de la IUPAC reconoció el potencial de los nanosensores en la detección de moléculas individuales, a menudo llamada la sensibilidad definitiva. En efecto, los últimos avances en química han permitido realizar análisis con niveles de precisión sin precedentes.

En este sentido, la búsqueda de este año reconoce el progreso de la metabolómica unicelular. Los avances en las técnicas de imagen y tecnologías como la espectrometría de masas han proporcionado nuevos conocimientos sobre las células individuales. Gracias a la mayor resolución y sensibilidad de los espectrómetros de masas actuales, los químicos pueden analizar varios metabolitos simultáneamente, obteniendo información detallada sobre las vías celulares, los mecanismos biológicos y las huellas dactilares únicas de las células y las muestras. Las combinaciones más avanzadas no sólo proporcionan información sobre la naturaleza de los metabolitos, sino también detalles sobre la concentración y su especial disposición. El potencial para desentrañar mecanismos bioquímicos desconocidos es extraordinario.

En la actualidad, los investigadores buscan mejorar los límites de detección, así como desarrollar herramientas digitales. Estas servirán para muchos propósitos: desde el enriquecimiento de las bases de datos hasta la aceleración del reconocimiento de metabolitos, pasando por la mejora de los algoritmos para distinguir el ruido y los artefactos de la variabilidad biológica real. En el contexto del pánico de los coronavirus—y de futuros brotes— la metabolómica unicelular demostrará sus enormes posibilidades. Varios estudios aprovechan su poder para comprender mejor los procesos de infección y las interacciones entre el virus invasor y nuestras células.

Para algunos expertos, este campo es todavía joven y está lleno de complejos retos por delante. Sin embargo, los científicos resuelven progresivamente estos retos y siguen validando esta tecnología emergente, que podría aportar respuestas sólidas a secretos bioquímicos fundamentales.


  1. El jurado de las Diez Tecnologías Emergentes Más Importantes en Química de 2021 estuvo compuesto por las siguientes personas: Presidente, Michael Droescher, (Asociación Alemana para el Avance de la Ciencia y la Medicina), Jorge Alegre-Cebollada (Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares, España), Sophie Carenco (Centro Nacional de Investigación Científica, Francia), Javier García Martínez (Universidad de Alicante, España), Ehud Keinan (Technion, Israel), Rai Kookana (CSIRO Land & Water, Australia), Greg Russell (University of Canterbury, Nueva Zelanda), Ken Sakai (Kyushu University, Japón), Natalia P. Tarasova (Universidad D. I. Mendeleev de Tecnología Química, Rusia) y Bernard West (Life Sciences Ontario, Canadá). ↩︎

  2. Muchas de ellas inspiradas por estructuras naturales, como las patas de los geckos y las ranas, los ojos de los mosquitos y la superficie de los cactus y las rosas. ↩︎

  3. A finales de julio de 2021, Estados Unidos había administrado más de 325 millones de dosis de vacunas de ARNm contra el SARS-CoV-2. ↩︎

  4. Fe4[Fe(CN)6]3: hexacianoferrato(II) de hierro(III). ↩︎

  5. PIN: 5-amino-2,3-dihidroftalazina-1,4-diona. ↩︎

  6. El enlace más fuerte para una especie diatómica es el del monóxido de carbono (CO)↩︎

Rodrigo Alcaraz de la Osa
Rodrigo Alcaraz de la Osa
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Soy Doctor en Física y Profesor de Física y Química en el IES Peñacastillo de Cantabria (España).

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