Transferencia y divulgación científica

Fuente: La Verdad

Relacionamos la química con las sustancias, pero también tiene mucho de mecánica. La estructura que configura cualquier materia presenta unas cualidades que, bien jugadas, permiten la construcción de máquinas y motores a escala molecular de gran utilidad. En este ámbito se mueve el grupo de Química Orgánica Sintética de la Universidad de Murcia (UMU) en un proyecto de alto interés encabezado por el catedrático José Berna Cánovas. En él, explica el especialista, se «plantea el diseño y la preparación de materiales porosos avanzados». Berna detalla que los «sistemas mecanizados, conectados por medio de metales, construirían un andamio molecular para almacenar sustancias dependiendo de sus propiedades». Se trata de estructuras capaces de absorber gases y después liberarlos cuando se necesite, lo que resulta útil para objetivos que van desde el almacenamiento de energía o la captura de contaminantes hasta la mejora de la resistencia y la conductividad de determinados materiales, «si lo que se almacena en estos poros son sustancias conductoras», por ejemplo.

Fragancias de sándalo

Lo que el equipo Berna Cánovas consigue es desarrollar procesos químicos inéditos (sin precedentes) que les permite obtener compuestos que resultan «de gran interés para la industria farmacéutica», por ejemplo. Es el caso de las beta-lactamas, unas enzimas que suelen actuar como antibióticos, «con potencial actividad terapéutica», y aminoácidos, que son compuestos esenciales para la vida.

La investigación se concreta en «la generación de conocimiento sobre la reactividad de determinados sistemas mecanizados y su integración en materiales avanzados». La posibilidad de modificar estas estructuras con elevados niveles de precisión, aclara el científico, «nos permite codificar en ellas diferentes instrucciones con la intención de que actúen como máquinas moleculares», capaces de desarrollar distintas tareas. Los llamados rotaxanos componen uno de los sistemas mecánicamente entrelazados que emplean con frecuencia. «Poseen una característica extraordinaria», explica: «La capacidad de cambiar su estructura en respuesta a estímulos externos».

En síntesis, el proyecto, financiado por la Consejería de Medio Ambiente, Universidades, Investigación y Mar Menor, a través de la Fundación Séneca, «pretende avanzar en el conocimiento del comportamiento químico de sistemas mecanizados y su integración para la construcción de materiales funcionales», resume su responsable.

Una de las prioridades «es la preparación de catalizadores capaces de impulsar procesos químicos con una fidelidad y eficacia sin precedentes». Básicamente, los catalizadores incrementan la velocidad de las reacciones químicas sin gastarse, «lo que facilita la producción eficiente de cualquier tipo de sustancias que uno pueda imaginar». Se trata de un avance «crucial para el desarrollo sostenible», afirma el catedrático.

Además, la investigación se adentra en el desarrollo de lo que el profesor define como «materiales porosos avanzados, ensamblando estos sistemas mecanizados en estructuras metal-orgánicas». ¿Qué aplicación tiene algo así? Por ejemplo, precisa, «podrían contribuir a mejorar tanto el almacenamiento de energía como la captura de contaminantes», e incluso «optimizar las propiedades de determinados materiales», como la resistencia o la conductividad.

«Si estas estructuras son capaces de absorber gases y después liberarlos a demanda, tendrán el potencial de usarse como sistemas de almacenamiento de gases», describe Berna Cánovas. Y «si lo que se almacena en estos poros son sustancias conductoras, este material derivado de sistemas entrelazados los puede proteger frente a la degradación o mejorar sus propiedades».

De momento, los investigadores del proyecto, titulado 'Reactividad de sistemas mecanizados y su incorporación en materiales funcionales', ya han logrado «liberar sustancias, previamente absorbidas, mediante un tratamiento térmico o mediante una irradiación con luz ultravioleta». Materiales similares ya se emplean ampliamente en dispositivos optoelectrónicos, que son aquellos cuyo funcionamiento está relacionado directamente con la luz, como los sistemas de comunicaciones basados en la fibra óptica. Para el futuro ya se plantean la posibilidad de «incorporar otras sustancias para evaluar sus propiedades como agentes descontaminares». De este modo, se convertirían en pioneros «en hacerlo con materiales derivados de sistemas mecanizados».

«También estamos trabajando intensamente en la activación y entrega de señales químicas como colorantes, fragancias y fármacos, lo que podría resultar en avances de interés en la liberación controlada de cosméticos o medicamentos además de en la preparación de sensores avanzados».

Dicho de otro modo, los sistemas mecánicamente entrelazados o mecanizados con los que trabaja el grupo de la UMU se pueden diseñar para incorporar elementos que respondan a estímulos externos, «como un cambio de pH, un estímulo luminoso, un cambio de temperatura». De esta manera, se puede programar «la liberación de una sustancia que nosotros hemos integrado previamente en ella». El doctor Berna Cánovas lo describe con un ejemplo: «Hemos descrito la integración de fragancias derivadas del sándalo (componente ampliamente utilizado en perfumería) en sistemas mecanizados y hemos definido en qué condiciones ambientales se pueden liberar para percibir su aroma». Igual se puede hacer con colorantes, como también está logrando su equipo de investigadores, o para la liberación de fármacos tras la aplicación de estímulos lumínicos, que es un avance en el que ya están realizando ensayos otros grupos internacionales.

Los progresos en los que está sumido el equipo liderado por José Berna muestran, como evidencia uno de sus últimos trabajos científicos presentado en una tesis doctoral, «cómo construir rotaxanos» de manera que ha permitido «la obtención de beta-lactamas ópticamente activas con potencial actividad terapéutica». El avance incide en la producción de principios activos de una cualidad que el experto califica de «esencial para la obtención de medicamentos más seguros y efectivos». Es un logro que demuestra la versatilidad y el potencial de los rotaxanos como herramientas en síntesis química y «abre nuevas oportunidades para el diseño racional de moléculas bioactivas».

El catedrático en Química Orgánica de la Universidad de Murcia (UMU) José Berna Cánovas está fascinado «por la extraordinaria singularidad de los compuestos mecánicamente entrelazados». Estos elementos, explica, «han permitido hacer contribuciones científicas en áreas tan diversas como el almacenamiento de datos, la obtención de interruptores moleculares, el desarrollo de materiales capaces de auto-repararse y el diseño y síntesis de máquinas y motores a escala molecular, entre otras». Entre los aspectos que más fascina de este tipo de compuestos al especialista (responsable de un proyecto en esta línea del grupo de investigación de Química Orgánica Sintética de la Universidad de Murcia, conformado por siete investigadores doctores, tres investigadores predoctorales y varios colaboradores más) «es su arquitectura molecular única». Berna concreta que están formados por varios componentes interconectados «que les confiere propiedades excepcionales que son difíciles de encontrar en otras familias de compuestos químicos». Esta es la peculiaridad que les ha llevado a adentrarnos en este ámbito de estudio. En él buscan «no sólo ampliar el conocimiento científico sino también explorar la preparación de materiales inteligentes y el desarrollo de procesos químicos más eficientes», revela. Se trata de un campo que todavía está emergiendo en España, pero que a nivel mundial «ya cuenta con un amplio reconocimiento y una comunidad investigadora de primer nivel dedicada a él».

Pie de foto: 1. Especialistas del Grupo de Química Orgánica Sintética de la UMU en el laboratorio, 2. Miembros del Grupo de Química Orgánica Sintética.