El papel transformador de los catalizadores y la catálisis

Desde hornear pan a fabricar papel, los humanos llevan miles de años usando el poder de la catálisis sin saberlo. De hecho, en casi todas las actividades de la vida cotidiana interviene el proceso de catálisis. Los catalizadores son sustancias que facilitan las reacciones químicas reduciendo la energía de activación requerida para que se produzcan. Aumentan la velocidad de la reacción sin consumirse o alterarse de manera permanente en el proceso. Sus excepcionales propiedades los han convertido en un elemento indispensable en miles de aplicaciones prácticas vitales, desde combustibles y pesticidas hasta el desarrollo de productos farmacéuticos que pueden salvar vidas.

Por ejemplo, una de las reacciones más conocidas facilitadas por catalizadores, el “proceso de Haber-Bosch”, produce amoníaco para los fertilizantes y la agricultura a escala industrial. El uso de catalizadores reduce drásticamente el coste y acelera la producción de amoníaco. Incluso hoy en día, el proceso de Harbor-Bosch sigue siendo el principal método de producción de amoníaco.

Otro ejemplo de este proceso son los convertidores catalíticos para coches, que usan platino, paladio o rodio para reducir las emisiones de compuestos tóxicos, como hidrocarburos, monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno, en un 90 %.

El papel de la catálisis en la química sostenible

Aunque pueda parecer que la sostenibilidad se ha convertido en la palabra de moda recientemente, las prácticas medioambientales sostenibles se han fomentado con firmeza desde que Naciones Unidas publicó “Our Common Future” en 1987. Este informe revolucionario trazó los principios rectores del desarrollo sostenible tal y como lo entendemos hoy y definió el concepto como el “desarrollo que responde a las necesidades del presente sin sacrificar la capacidad de las generaciones futuras de satisfacer sus propias necesidades”. Esta definición resume la importancia de implementar la sostenibilidad en todos los productos fabricados.

El énfasis creciente en la sostenibilidad ha puesto en marcha un movimiento transformador que pretende avanzar hacia la química sostenible o química “verde” y revolucionar nuestra forma de diseñar procesos y productos. Esta estrategia innovadora aspira a mejorar la eficiencia del uso de recursos naturales para la producción química. Para alcanzar este objetivo, se están explorando tres vías principales: minimizar el consumo de energía, generalizar el uso de sustancias químicas respetuosas con el medioambiente y gestionar de manera eficaz los ciclos de vida de los materiales. Por medio de estos métodos, la química sostenible está preparando el terreno para un futuro más ecológico en el que se haga un uso más eficiente de los recursos.

Los catalizadores desempeñan un papel esencial en nuestra búsqueda de prácticas sostenibles y son una herramienta valiosa para facilitar la consecución de los objetivos. Han contribuido a la creación de plásticos biodegradables, que reducen nuestra dependencia de materiales perjudiciales. Además, los catalizadores son imprescindibles para producir combustibles y fertilizantes, ya que optimizan la eficiencia y minimizan los residuos. Aprovechar el poder de la catálisis nos ha permitido hacer realidad logros importantes en varios campos con la sostenibilidad como principio rector.

En paralelo al aumento de la demanda de catalizadores, ha crecido la voluntad de usar productos respetuosos con el medioambiente para resolver problemas relacionados con la producción sostenible de energía, reducir las emisiones industriales y hacer frente al cambio climático. Partiendo de los datos de CAS Content Collection™, exploraremos las tendencias de investigación actuales en el ámbito de la catálisis sostenible y repasaremos los avances más importantes en este campo.

Avances en la sostenibilidad de los catalizadores

Los metales nobles, como el platino, el paladio y el iridio, se usan con frecuencia por sus interesantes propiedades catalíticas, como su gran estabilidad y su tolerancia a la temperatura. También se utilizan para facilitar un amplio conjunto de reacciones químicas, como el acoplamiento de Sonogashira, el acoplamiento de Suzuki-Miyaura y la reacción de Heck.

Sin embargo, la utilidad de los metales nobles se ve perjudicada por su elevado coste y por su disponibilidad limitada. Estos metales preciosos se obtienen principalmente a partir de grandes cantidades de menas de baja calidad, lo que requiere operaciones de minería extensivas para extraer incluso cantidades pequeñas. Este proceso de extracción no solo exige un importante aporte energético, sino que además puede causar un daño medioambiental considerable. En consecuencia, la utilización de metales nobles en aplicaciones catalíticas se debe sopesar con cuidado teniendo en cuenta el impacto medioambiental y la sostenibilidad de esas prácticas.

Las limitaciones impuestas por el coste económico y medioambiental de los metales nobles, sumadas a la creciente demanda global de catalizadores, han animado la los investigadores a explorar otras alternativas, en especial metales de transición no nobles como el titanio, el hierro, el cobalto y el níquel. Estos metales presentan varias ventajas sobre los metales nobles. En primer lugar, son más abundantes, lo que garantiza un suministro sostenible para las aplicaciones catalíticas. Además, los metales de transición no nobles son más eficientes desde el punto de vista del coste, lo que los convierte en una alternativa económicamente más viable. Por otra parte, tienen niveles bajos de toxicidad, de manera que reducen los riesgos potenciales tanto de la producción como de las aplicaciones. Es importante añadir que estos metales son benignos desde el punto de vista medioambiental, lo que minimiza el impacto ecológico adverso.

Aunque los metales no nobles son una alternativa prometedora, tampoco están exentos de desafíos. En general, los metales no nobles son más reactivos que los metales nobles. Esta reactividad puede provocar la degradación de los catalizadores, lo que limita su durabilidad, y disminuir la selectividad de su actividad catalítica, lo que puede generar subproductos y residuos y reducir la eficiencia de los procesos. Además, la clasificación de los metales no nobles puede ser compleja y exigente (tabla 1).

A pesar de eso, el desarrollo de catalizadores sostenibles con metales no nobles está ganando impulso. El análisis de CAS Content Collection revela un claro aumento del número de publicaciones sobre catalizadores y catálisis a base de metales no nobles entre 2012 y 2022 (figura 1).

Tecnologías y avances en el campo de la catálisis

A lo largo de las últimas décadas, se ha desarrollado un conjunto de catalizadores especializados para diversas aplicaciones prácticas esenciales. A grandes rasgos, estos catalizadores se dividen en cuatro subcategorías: electrocatalizadores, fotocatalizadores, catalizadores homogéneos y biocatalizadores (o enzimas).

Los datos de CAS Content Collection revelan que las publicaciones relacionadas con los electrocatalizadores dominan la química sostenible basada en el uso de catalizadores de metales no nobles (figura 2 y figura 3). Los electrocatalizadores participan en las reacciones electroquímicas como electrodos o como materiales catalíticos aplicados sobre la superficie de los electrodos. Tradicionalmente, el platino se ha usado de manera generalizada en la electrocatálisis. Sin embargo, su disponibilidad limitada y su alto coste han llevado a los investigadores a explorar otras alternativas. Destaca, por ejemplo, el uso de grafeno dopado con nitrógeno aumentado con átomos de cobalto, que ha resultado ser un catalizador eficiente y duradero para generar hidrógeno a partir del agua. Estrategias como esta representan un importante paso adelante en el uso de catalizadores con un coste inferior para producir energía.

La fotocatálisis es un proceso en el que los materiales de un semiconductor absorben energía lumínica y producen pares electrón-hueco que provocan reacciones de reducción y oxidación. Es importante para resolver problemas energéticos y medioambientales en reacciones como la división del agua para producir hidrógeno y la descomposición de contaminantes (figura 4). Sin embargo, los investigadores se enfrentan al gran desafío de encontrar materiales semiconductores de metales no nobles que puedan dividir el agua usando exclusivamente energía solar. Se están explorando varias estrategias en esta área, incluido el uso de cocatalizadores o la nanointegración de varios componentes.

Los metales nobles, como el platino y el paladio, también son los más habituales en la catálisis homogénea por su alto grado de actividad, estabilidad y versatilidad. Sin embargo, encontrar sustitutos para los metales nobles en la catálisis homogénea plantea dificultades importantes para los investigadores. Una reacción esencial facilitada por estos catalizadores es el acoplamiento de Sukuzi. Es sabido que algunos casos en los que los autores afirmaban haber logrado el acoplamiento de Suzuki sin paladio resultaron posteriormente haber sido catalizados por bajos niveles de contaminantes de paladio. Sin embargo, el uso de iniciadores de reacciones radicalarias como el yoduro, la eosina y el yoduro de tetrabutilamonio parece prometedor en esta área (figura 5).

Los biocatalizadores, que son catalizadores basados en enzimas, son un excelente ejemplo de catalizadores verdes y sostenibles. Se producen a partir de materias primas con una alta disponibilidad, son orgánicos, biodegradables y no tóxicos y pueden funcionar con condiciones de reacción suaves. Una importante aplicación potencial de los biocatalizadores es la generación sostenible de biocombustibles a partir de aceites y grasas de origen vegetal mediante la transesterificación de los ácidos grasos con metanol. La reacción produce biodiésel (ésteres metílicos de ácido graso) y glicerol como subproductos (figura 6). La combinación de biocatalizadores y catalizadores metálicos es otra estrategia en desarrollo para lograr la sostenibilidad de la producción de moléculas valiosas.

Un catalizador para el cambio

A raíz de la Conferencia de las Partes sobre Cambio Climático de la ONU (COP27) y la Conferencia de la ONU sobre Biodiversidad (COP15), se ha reforzado con claridad el compromiso de adoptar prácticas más sostenibles por parte de las corporaciones. Dado que los catalizadores siguen siendo indispensables para la industria química, se ha intensificado la exploración de nuevos conceptos catalíticos que puedan mejorar la eficiencia y la sostenibilidad de la fabricación de productos esenciales. Consciente de esta necesidad, el Departamento de Energía de EE. UU. ha ratificado su compromiso de apoyar la investigación fundamental sobre catalizadores.

Los importantes avances registrados en la investigación de los catalizadores sostenibles en la última década demuestran que la búsqueda de soluciones respetuosas con el medioambiente va por buen camino. Aunque el potencial de este mercado aún no se ha desarrollado por completo, auguramos un futuro prometedor para los catalizadores basados en metales no nobles en diversos dominios que incluyen sustancias orgánicas, inorgánicas y biológicas.

Para obtener más información sobre el futuro de la catálisis sostenible, le invitamos a explorar nuestra publicación reciente en ChemRxV.

Maximizar el retorno de la inversión en digitalización, un reto para las empresas farmacéuticas

De media, las empresas farmacéuticas tardan entre 10 y 15 años en desarrollar, validar y comercializar un nuevo producto. Sin embargo, la reciente pandemia de COVID-19 y el éxito del desarrollo en tiempo récord de las vacunas de ARNm han arrojado luz sobre el potencial de las herramientas digitales para acelerar los procesos. Este importante avance reforzó el interés de la industria farmacéutica por experimentar una transformación digital e implementar herramientas cognitivas en sus procesos, pero la digitalización puede ser compleja y difícil de lograr.

Alrededor del 55 % de las firmas farmacéuticas afirman que usan tecnologías digitales en mayor o menor medida. Sin embargo, la falta de dominio de la gestión del conocimiento y las herramientas digitales transforma en muchos casos esta iniciativa inteligente en una inversión debatible. Dado que aproximadamente el 70 % de los programas de digitalización fracasan, las empresas farmacéuticas tienen que reevaluar dónde deben invertir su presupuesto de digitalización y optimizar las estrategias de implementación para ganar ventajas competitivas y crear productos farmacéuticos que puedan cambiar vidas.

Con una buena comprensión de aspectos como una gestión del conocimiento sólida, las herramientas cognitivas y la interrelación entre estos elementos, las compañías farmacéuticas pueden revolucionar sus procesos en todos los niveles y ofrecer una asistencia sanitaria superior en todo el mundo.

Digitalización y gestión del conocimiento: facilitar el acceso a los datos en el conjunto de la compañía para acelerar la innovación

Las compañías farmacéuticas generan enormes volúmenes de información, desde datos de ingredientes, formulaciones y ensayos clínicos hasta informes sobre tiempos de procesamiento, producción y control de calidad. Estos nuevos documentos se acumulan con rapidez cuando se usan fuentes de información ya existentes y bases de datos aisladas, lo que complica la búsqueda y la recuperación de información. Los resultados de experimentos pasados, al no estar estructurados ni armonizados, se pierden entre los “datos oscuros”, que representan alrededor de un 55 % de todos los conocimientos de la organización.

Sin un acceso fácil a los datos históricos por parte de diversos departamentos, las empresas farmacéuticas corren el riesgo de repetir errores o investigar preguntas que ya tienen respuesta. Para acelerar la innovación y acortar sustancialmente el plazo de comercialización de los productos, la digitalización es esencial.

Las compañías farmacéuticas están transformando documentos históricos, como los diarios de laboratorio, los conjuntos de datos y los informes, en activos que admiten búsquedas dentro de una plataforma conectada de gestión del conocimiento. Eso permite a distintos integrantes de la organización acceder a la información sobre los ingredientes y los proveedores, las directrices regulatorias y otros datos científicos y empresariales. Estas compañías están dando un paso más con la introducción de una interfaz de usuario en línea que posibilita la conexión de equipos de diferentes departamentos y regiones.

Por medio de una digitalización cuidadosamente diseñada, las compañías farmacéuticas pueden facilitar, simplificar y ampliar los procesos de I+D, fabricación y comercialización fomentando a la vez el trabajo interdisciplinar y la colaboración internacional.

Agilizar el desarrollo de fármacos: las herramientas cognitivas aceleran la innovación terapéutica

La era de la digitalización está transformando la industria farmacéutica, ya que proporciona a los investigadores herramientas revolucionarias para acortar el plazo de comercialización y mejorar la seguridad.

El desarrollo de las vacunas de la COVID-19 en menos de un año propulsó a Pfizer al centro de la escena farmacéutica. Aunque la eficiencia de la plantilla de Pfizer es indiscutible, el excepcional tiempo de respuesta de la compañía y su ventaja competitiva tienen sus raíces en unos procesos bien definidos que se implementaron mucho antes de la pandemia. Pfizer, una empresa pionera en el ámbito de las estrategias digitales, comprendió el potencial transformador de las iniciativas de gestión del conocimiento, analítica de datos e IA para el sector farmacéutico y las incorporó en sus operaciones diarias.

Los gigantes farmacéuticos, que cuentan con décadas de experiencia y de datos de investigación, pueden limitar las moléculas candidatas a las opciones más seguras y con más posibilidades de éxito. Por ejemplo, los algoritmos de IA, combinados con los datos clínicos disponibles, permitieron a los investigadores diseñar y supervisar ensayos clínicos exhaustivos con modelos predictivos en tiempo real de las tasas de ataque de la COVID-19. Al llevar estos procesos más allá del laboratorio, las estrategias de gestión del conocimiento y los modelos de IA facilitaron la predicción del inventario y la supervisión de la cadena de suministro, lo que agilizó el desarrollo, la distribución y la accesibilidad de las vacunas.

Unos cimientos de datos sólidos y unas herramientas cognitivas implementadas en toda la cadena de suministro dieron a Pfizer una decisiva ventaja de partida en la carrera para desarrollar la vacuna de la COVID-19. Desde la selección inicial de candidatos farmacológicos a la monitorización del tratamiento, el poder de las herramientas cognitivas para acelerar el desarrollo de fármacos ha quedado demostrado. Sin embargo, las predicciones de IA solo alcanzan todo su potencial si se entrenan adecuadamente con conjuntos de datos limpios, seleccionados y protegidos. Para lanzar u optimizar la IA en los flujos de trabajo de I+D de la industria farmacéutica, es necesario evaluar primero la calidad de los datos y la infraestructura de gestión del conocimiento.

Digitalización y seguridad de los datos: protección de la información patentada, la privacidad de los pacientes y la integridad de las investigaciones

A lo largo de las múltiples fases del descubrimiento de fármacos y los ensayos clínicos exhaustivos, la industria farmacéutica tiene acceso a procesos de fabricación cruciales y a la información médica de los pacientes. Estos datos tienen un valor incalculable para los competidores y para muchos actores malintencionados. Ante el crecimiento de los ciberataques (prácticamente 1 cada 39 segundos) y los robos de identidad médica (un 35 % en 2019), implementar estrategias de seguridad fiables en la industria farmacéutica se ha convertido en una prioridad urgente.

Varios informes apuntan a las compañías farmacéuticas como objetivos prioritarios para los ciberataques, y el 53 % de las infracciones de la privacidad son el resultado de actividades malintencionadas. La dispersión de la información confidencial entre diferentes departamentos, plataformas y programas de software hace más difícil para las organizaciones garantizar la protección de los datos y la seguridad del entorno. Implementar una interfaz de gestión del conocimiento en toda la organización permite establecer un control estricto del acceso de los usuarios y eliminar las infracciones de la seguridad de los datos. En el sector farmacéutico se están generalizando las plataformas colaborativas en la nube con canales protegidos en los que los investigadores y el personal clínico pueden compartir de forma segura información confidencial y evitar los riesgos de corrupción de los dispositivos. Sin embargo, pasar de soluciones antiguas locales y aisladas a plataformas en la nube o a versiones híbridas personalizadas es complicado y la adopción puede ser lenta. Para simplificar la transición a los ecosistemas de gestión del conocimiento actualizados y proteger a la vez los datos, las compañías farmacéuticas deben recurrir a socios de transformación digital que conozcan su campo.

La transformación digital en la industria farmacéutica

La digitalización tiene el potencial de transformar drásticamente la industria farmacéutica mejorando la gestión del conocimiento, acelerando la innovación, incrementando la seguridad de los datos y acortando los plazos de comercialización de los fármacos. Sin embargo, una estrategia de transformación digital mal diseñada puede provocar la pérdida de recursos y aumentar el riesgo.

A medida que la transformación digital del sector farmacéutico avanza, las tecnologías digitales y las herramientas cognitivas se están incorporando a todos los aspectos de la industria, lo que acelera el desarrollo de fármacos y amplía las opciones de tratamiento para un número cara vez mayor de enfermedades. La transformación digital contribuye a crear soluciones innovadoras para el ámbito sanitario de una forma sostenible, responsable y accesible.

Para obtener más información sobre la transformación digital y la gestión de los datos, consulte nuestros casos prácticos con CAS Custom Services^SM.

Quedan lejos aquellos tiempos en los que la encimera del baño se llenaba de productos empleados en complicadísimas rutinas cosméticas. En la acelerada sociedad actual, los consumidores buscan un único producto que pueda hacerlo todo.

Llega la cosmética multifuncional.

Da igual si se trata de un producto para el cuidado de la piel que proporcione hidratación y propiedades antienvejecimiento y antimanchas o si hablamos de una mascarilla acondicionadora para el cabello que se pueda usar en la ducha y tenga acción antiencrespamiento y propiedades reparadoras: los consumidores exigen más que nunca a sus productos cosméticos. Esta demanda, sin embargo, añade presión a la industria cosmética para seguir formulando productos que puedan resolver varios problemas a la vez.

Estar al tanto de los últimos avances en el campo de los ingredientes multifuncionales, incluidos el quitosano y la lignina, y de los nuevos sistemas de administración, como el uso de la nanotecnología, permite a los formuladores seguir suministrando productos innovadores a este dinámico mercado con un alto nivel de demanda.

Ingredientes estrella

Una de las grandes herramientas que la industria cosmética puede usar para formular cosméticos multifuncionales son los llamados "ingredientes estrella". Estos ingredientes ofrecen a la vez numerosos beneficios, lo que hace posible que formulaciones con tan solo unos cuantos ingredientes puedan resolver varios problemas.

Veamos algunos de los ingredientes estrella de uso frecuente en el campo de la cosmética:

Ante la mayor demanda por parte de los consumidores de listas de ingredientes reducidas y "cosméticos limpios", los ingredientes estrella ganan popularidad entre las personas que buscan un único ingrediente que responda a todas sus necesidades cosméticas. Además de ayudar con la formulación, muchos de estos ingredientes son percibidos como "naturales" o "limpios", lo que supone una importante ventaja desde el punto de vista del marketing.

Hidratantes hercúleas

Los componentes hidratantes se encuentran entre los ingredientes cosméticos más versátiles. Con frecuencia, estos ingredientes proporcionan hidratación para la piel, el cabello y las uñas y se pueden usar para desarrollar productos multifunción para todas estas aplicaciones. Los sueros y aceites hidratantes se están comercializando como sustitutos únicos de varios productos, como las cremas para las manos, las hidratantes faciales y corporales y las mascarillas acondicionadoras para el pelo.

Los ingredientes hidratantes tienen otras propiedades, además de tratar varias partes del cuerpo. Se pueden usar en cosméticos multifuncionales, que también proporcionan beneficios antienvejecimiento, antioxidantes y antimicrobianos. Los aceites vegetales, como la manteca de karité y el aceite de coco, se usan con frecuencia en la industria cosmética. Sin embargo, las nuevas investigaciones han identificado el quitosano como competidor potencial.

El quitosano se puede usar en la piel y cabello como hidratante y protector. Se cree que el quitosano posee, entre otros, los siguientes beneficios:

• Propiedades humectantes
• Propiedades emolientes
• Propiedades antimicrobianas
• Acondicionamiento de la piel
• Protección frente a la radiación UV
• Propiedades antioxidantes

Antioxidantes asombrosos

El quitosano, como ingrediente con propiedades antioxidantes, se sumará a otros componentes cosméticos de uso común como la manteca de karité, el aceite de coco, la niacinamida y el propóleo. Cada ingrediente aporta sus propias multifunciones, lo que crea una amplia gama de opciones al formular cosméticos con actividad antioxidante.

Otra candidata incorporada recientemente a la cosmética antioxidante es la lignina. La lignina, derivada de fuentes naturales como la caña de azúcar, tiene una marcada actividad antioxidante que se puede aprovechar en aplicaciones cosméticas. En un estudio de 2023, se demostró que la lignina tiene una capacidad de atrapar radicales libres comparable, o ligeramente superior, a la del estándar cosmético. El estudio mostró también que la lignina se puede usar como pigmento cosmético natural y como protección frente a la radiación UV, lo que pone de relieve su potencial como ingrediente estrella del futuro.

Espectacular protección solar

Según los datos disponibles, el potencial de la lignina como protector frente a la radiación UV es superior a sus propiedades antioxidantes. La lignina, cuya capacidad como potente bloqueador de los rayos UV se ha demostrado tanto in vitro como en voluntarios humanos, abre una interesante oportunidad futura en la cosmética multifuncional para la protección frente a la radiación UV. Los consumidores, en respuesta a los consejos constantes sobre la protección solar, buscan productos con FPS que también contribuyan a resolver otros problemas cutáneos.

Otro campo de investigación es la adición a las formulaciones de los protectores solares del ácido rosmarínico, que, según los estudios realizados, aumenta el FPS en un 41 %, además de contar con propiedades antioxidantes. Una barrera esencial de los productos con FPS que contienen formulaciones cosméticas multifuncionales es que los nuevos ingredientes no pueden reducir la protección solar del producto, lo que convierte a ingredientes como el ácido rosmarínico, que pueden mejorar el FPS y aportar otros beneficios, en una gran oportunidad para los formuladores.

Tratamientos potentes contra las manchas

Normalmente, los tratamientos contra las manchas deben tener más de una función, como la hidratación cutánea, la cicatrización y propiedades antioxidantes. Los ingredientes antiinflamatorios y antimicrobianos pueden ayudar a combatir las causas de las manchas de acné, y los que tienen propiedades cicatrizantes y de reparación de la barrera cutánea pueden reducir las cicatrices. Por ello, los ingredientes de los tratamientos contra las manchas deben ser versátiles, además de cumplir con su función principal.

Con una amplia gama de ingredientes antimicrobianos y antiinflamatorios en uso en la industria cosmética, los formuladores pueden elegir entre diversos ingredientes activos. Componentes como el aloe vera, el hamamelis, el ácido salicílico, el peróxido de benzoílo y el retinol son habituales para el tratamiento de las manchas y aportan propiedades antimicrobianas y antiinflamatorias a productos como las cremas hidratantes.

Pero los avances no se limitan a los ingredientes estrella. Los métodos de administración innovadores pueden aumentar la eficacia y la longevidad de estos ingredientes. Recientemente, se ha desarrollado un sistema para la administración de ingredientes cosméticos contra el acné basado en la nanotecnología que libera los ingredientes activos lentamente una vez en contacto con la piel y que ha demostrado aumentar la capacidad antimicrobiana y antioxidante.

La formulación definitiva

La industria cosmética se enfrenta al reto de crear formulaciones más avanzadas y versátiles que permitan a los consumidores simplificar sus rutinas cosméticas. El uso de ingredientes estrella que combinen más funciones en las fórmulas cosméticas puede ayudar a los desarrolladores a alcanzar este objetivo y a mantener sus productos a la vanguardia de esta nueva ola de cosméticos multifuncionales.

Invertir en ingredientes estrella emergentes como el quitosano y la lignina puede permitir a los formuladores impulsar el desarrollo de productos, y la adopción de sistemas de administración innovadores basados en la nanotecnología puede multiplicar las funciones de los ingredientes ya existentes. Mantenerse al tanto de las investigaciones más recientes en el campo de la cosmética multifuncional seguirá impulsando el desarrollo innovador y ampliará los límites de lo que los consumidores pueden esperar de sus productos cosméticos.

Lea esta entrada sobre la colaboración entre CAS y Citrine para predecir las desformulaciones con IA y descubra cómo podemos ayudarle a crear la formulación definitiva.

Como resultado de los cambios que los consumidores están introduciendo en sus dietas por motivos personales y de salud, y de la voluntad de la sociedad de avanzar hacia prácticas alimentarias más sostenibles, las carnes de origen vegetal han ganado popularidad a lo largo de los últimos años. Las innovaciones del sector siguen mejorando la calidad de los sucedáneos de la carne y ofrecen más alternativas que nunca, lo que está generando un mercado diverso y competitivo.

Dado que la sostenibilidad de la carne de origen vegetal es uno de los factores que más están contribuyendo a aumentar el interés del público por estos productos, los consumidores buscan alternativas que les ayuden a limitar su ingesta de carne y reducir su impacto medioambiental sin sacrificar sus experiencias gastronómicas favoritas. ¿Cómo pueden proporcionar los fabricantes un producto sostenible y de calidad que responda a las altas expectativas de los clientes en cuanto a sabor y textura?

¿Cómo de sostenibles son las alternativas de origen vegetal?

Los efectos medioambientales negativos de la ganadería se conocen y están perfectamente documentados desde hace tiempo. Las emisiones causadas por el ganado y por la industria asociada son responsables de alrededor del 15 % de los gases de efecto invernadero globales. Ante la previsión de que estas emisiones aumenten en un 9 % antes de 2031, es crucial encontrar soluciones que reduzcan la demanda de carne.

Las innovaciones relativas a la carne de origen vegetal son una de esas soluciones. En lo tocante a las emisiones de dióxido de carbono, esta alternativa es unas 120 veces más eficiente que los productos cárnicos. Un estudio publicado en 2021 reveló que las hamburguesas de origen vegetal tienen una huella climática un 77 % más baja que las hamburguesas de carne, ya que reducen el uso de suelo y agua, la eutrofización y la acidificación.

La crítica más extendida sobre la sostenibilidad de la carne de origen vegetal es que los sucedáneos de la carne pueden no ser tan sostenibles como una dieta totalmente vegetariana. Aunque es un debate válido, los sucedáneos de la carne ofrecen a los consumidores de carne un cambio conductual mucho más asumible que la adopción de una dieta totalmente vegetariana, lo que facilita su transición a una solución sostenible.

Dar el salto

A pesar de la preocupación generalizada sobre la crisis climática y del conocido impacto medioambiental de la ganadería, muchos consumidores siguen siendo reacios a eliminar la carne de su dieta. En muchos casos, el deseo de mejorar la sostenibilidad no basta para impulsar el cambio conductual de comer menos carne o eliminarla de la alimentación. Los sucedáneos de la carne de origen vegetal ofrecen la solución perfecta para evitar esta disyuntiva.

Mediante el desarrollo de productos vegetales que ofrezcan un sabor y una textura similares a los de los productos animales, los innovadores dan a los consumidores la oportunidad de disfrutar de lo mejor de los dos mundos. Para los fabricantes es esencial llegar a esta audiencia flexitariana, ya que los sucedáneos de la carne son muy populares entre los consumidores que no quieren adoptar una dieta totalmente vegetariana. Un informe de la Universidad de Bath reveló que el 90 % de las personas que consumen carne de origen vegetal y lácteos siguen incluyendo la carne en su dieta.

Los consumidores están asumiendo la idea de que pueden mejorar su sostenibilidad reemplazando una parte de su ingesta de carne con sucedáneos de origen vegetal, pero ¿son estos productos tan sostenibles como se cree? Las investigaciones disponibles demuestra que lo son. A pesar de ser pequeños y asumibles, estos cambios tienen un enorme impacto en el medioambiente. Un estudio determinó que reemplazar tan solo un 5 % del consumo alemán de carne con proteína de guisantes podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en 8 millones de toneladas al año.

Así, los fabricantes están preparando el terreno para un futuro más ecológico que sea más accesible para la mayoría de la gente. Al impulsar la innovación y aumentar la sostenibilidad de sus productos, pueden seguir favoreciendo los objetivos medioambientales de sus consumidores y fomentando la inversión en la sostenibilidad basada en la carne de origen vegetal.

Elección de una proteína vegetal

La elección de la proteína vegetal es la base del desarrollo de cualquier nuevo sucedáneo de la carne. Las fuentes de proteínas pueden afectar al sabor y a la textura del producto, a su valor nutricional y a su sostenibilidad, aspectos en los que los fabricantes tiene que ofrecer soluciones atractivas a sus consumidores. El considerable crecimiento de la demanda de los consumidores ha hecho que se espere que el valor del mercado de las proteínas vegetales llegue a 162 000 millones de dólares en 2030. Los innovadores de este extenso sector cuentan ahora con una amplia gama de fuentes, unas más consolidadas que otras. Entre las fuentes actuales y futuras se incluyen las siguientes:

Fuentes de proteínas como la soja, el trigo y los guisantes tienen ventajas como un bajo coste, un buen suministro y un alto valor nutricional, de ahí que estuvieran entre las primeras en consolidarse en la industria. La nueva generación de fuentes, como el maíz, el arroz, los garbanzos, los hongos y la colza, amplía estas ventajas proporcionando un mayor potencial para el desarrollo de productos. Esto dará a los desarrolladores un mayor control para crear productos con los atributos de sabor y textura que buscan los consumidores.

En este contexto de avances graduales, candidatos futuros como las algas o los cultivos celulares compiten por convertirse en la fuente de proteínas más sostenible. Aunque la actitud de los consumidores con respecto a estas proteínas todavía tiene que cambiar, son muy renovables y tienen un impacto medioambiental mínimo, lo que incrementa la sostenibilidad de la carne de origen vegetal.

El futuro de la sostenibilidad de la carne de origen vegetal

Los sucedáneos de la carne de origen vegetal están llamados a desempeñar un papel importante en la sostenibilidad alimentaria futura. Los sucedáneos de la carne, que ayudan a los consumidores de carne a reducir su ingesta de productos de origen animal sin modificar sus hábitos alimentarios, pueden animar a un porcentaje mucho mayor de gente a limitar su consumo de carne, lo que tendría un enorme efecto medioambiental.

Para que pueda darse este cambio medioambiental es imprescindible que la industria desarrolle productos atractivos que imiten lo mejor posible el sabor, la textura y el aspecto de la carne. A medida que los investigadores avancen en su estudio de nuevas fuentes de proteínas vegetales sostenibles, es previsible que la carne de origen vegetal vaya ganando popularidad. Para obtener más información sobre la agricultura sostenible y sobre nuevas estrategias en el uso de fertilizantes que contribuyan a reducir las emisiones de dióxido de carbono, lea nuestro artículo reciente sobre agricultura sostenible.

La química sostenible comienza con los catalizadores verdes, pero ¿cuáles son los últimos avances en este campo emergente? Los catalizadores son indispensables en numerosos sectores, disciplinas y laboratorios de I+D, y nuestro último resumen identifica las nuevas oportunidades, los desafíos y las innovaciones. En distintos sectores, desde la energía a la agricultura, pasando por productos farmacéuticos y muchos más, este puede ser un elemento crucial para mejorar las métricas de sostenibilidad.

La creciente carga global del cáncer

La carga del cáncer y la mortalidad asociada están creciendo con rapidez en todo el mundo, impulsadas por el envejecimiento de la población y por los cambios en la prevalencia y la distribución de los principales factores de riesgo para esta enfermedad. Se prevé que en 2040 se diagnosticarán 28,4 millones de casos de cáncer, un aumento del 47 % con respecto a 2020.

El cáncer de mama femenino ha superado al cáncer de pulmón como tipo de cáncer más diagnosticado, y se estima que en 2020 ha habido 2,3 millones de casos nuevos (11,7 %), solo por delante del cáncer de pulmón (11,4 %), el colorrectal (10,0 %), el de próstata (7,3 %) y el de estómago (5,6 %). Las inmunoterapias, como los inhibidores de puntos de control, han supuesto un avance crucial en el tratamiento del cáncer, pero, a pesar de la importancia de este descubrimiento, no han sido la panacea para todos los tipos de cáncer. No todos los tipos de tumores responden a los agentes inmunoterapéuticos, y los mecanismos de resistencia pueden llevar a la evasión y el crecimiento del tumor frente al ataque del sistema inmunitario.

Aunque la Food and Drug Administration (FDA) de EE. UU. no ha aprobado ninguna vacuna de ARNm para el uso contra el cáncer, se ha otorgado la designación Breakthrough Therapy a la vacuna en investigación mRNA-4157-P201 (Moderna) en combinación con el inhibidor de punto de control pembrolizumab (Merck) como adyuvante en melanomas de alto riesgo tras la resección total. Tras el éxito de las vacunas de ARNm contra la COVID-19, los investigadores creen que la tecnología de las vacunas de ARNm se podría usar para tratar las células cancerígenas. Así pues, ¿podríamos estar cerca de integrar las terapias de ARNm en el panorama del tratamiento del cáncer?

 El círculo se cierra: vacunas de ARNm y cáncer

Muchas creen que las vacunas de ARNm contra la COVID-19 se desarrollaron de un día para otro. Sin embargo, el rápido proceso de diseño, fabricación y prueba de estas vacunas no habría sido posible sin los años de investigación que posibilitaron la creación de las vacunas de la gripe, el citomegalovirus y el Zika.

En 1995, una investigación decisiva demostró que una inyección intramuscular de ARN desnudo con capacidad para codificar antígenos carcinoembrionarios podía provocar una respuesta de generación de anticuerpos específicos de los antígenos en ratones. Un año después, otro estudio mostró que las células dendríticas transfectadas con ARNm inyectadas en ratones con tumores inducían una respuesta inmunitaria de linfocitos T e inhibían el crecimiento de esos tumores. Este trabajo preparó el terreno para numerosos estudios que exploraban la viabilidad, la eficacia y la seguridad de las tecnologías basadas en el ARNm. Sin embargo, hasta hace poco, la inestabilidad, la capacidad inmunógena innata y la ineficiencia de la administración in vivo han limitado las aplicaciones vacunales y terapéuticas del ARNm. Un desafío esencial al que se enfrentaron los investigadores era el de administrar el ARNm en el punto exacto en el que se necesitaba; una secuencia de ARNm inyectada en el cuerpo sin alguna clase de protección sería identificada como un sustancia extraña y destruida.

El rápido desarrollo de las vacunas de ARNm para tratar el nuevo coronavirus, el SARS-CoV-2, ha ayudado a acelerar el salto de las vacunas de ARNm del laboratorio al ámbito clínico. Por ejemplo, las vacunas de Pfizer-BioNTech y Moderna demostraron la eficacia de usar nanopartículas lipídicas (NPL) para administrar el ARNm en las células objetivo. A finales de 2019, impulsadas por la epidemia de SARS-CoV-2, tanto la literatura publicada como las solicitudes de patentes relacionadas con las terapias de ARNm experimentaron un rápido aumento en todo el mundo. Después de 2020, el número de artículos publicados mostró una tendencia de crecimiento rápido y llegó a 3361 en 2021 y a casi 5000 en 2022. El número de solicitudes de patentes mantuvo la tendencia ascendente hasta 2020 y llegó a 382 en 2021. Se estima que en 2022 habrá aumentado hasta 510 (figura 1).

El éxito de la vacuna de ARNm contra la COVID-19 ha revelado el potencial del uso la plataforma de ARNm no solo para otras enfermedades infecciosas, sino también para el tratamiento del cáncer. Dado que la información derivada de los estudios sobre virus puede servir como base del trabajo sobre las vacunas contra el cáncer, parece que se ha cerrado el círculo.

El sistema inmunitario entra en acción: cómo funcionan las vacunas de ARNm contra el cáncer

Las aplicaciones del ARNm en las vacunas contra el cáncer son amplias, y los investigadores están explorando varias estrategias para la inmunoterapia contra esta enfermedad:

• Presentación de antígenos: las vacunas de ARNm administran antígenos del cáncer a las células presentadoras de antígenos para la presentación del complejo mayor de histocompatibilidad de clase I y II. 
• Función adyuvante: el ARNm estimula la activación inmunitaria uniéndose a receptores de reconocimiento de patrones expresados por células presentadoras de antígenos. 
• Receptores de antígenos: el ARNm introduce receptores de antígenos, como los receptores de antígeno quimérico (CAR) y los receptores de linfocitos T, en los linfocitos. 
• Producción de proteínas: el ARNm permite la expresión de proteínas inmunomoduladoras, incluidos los receptores de tipo Toll, los receptores de quimiocinas, los ligandos coestimuladores, las citocinas, las quimiocinas y diferentes formatos de anticuerpos monoclonales en diversos subconjuntos de células. 

¿Estamos cerca de contar con terapias de ARNm contra el cáncer?

Compañías como Genentech, CureVac y Moderna están desarrollando vacunas de ARNm con neoepítopos que pueden generar respuestas inmunitarias contra los tumores que se desea combatir. Existen docenas de ensayos clínicos que están probando las vacunas de ARNm como monoterapias o como parte de politerapias en personas con varios tipos de cáncer, incluidos el pancreático, el colorrectal y el melanoma. Varios candidatos han llegado a la fase 2 de los ensayos, que han demostrado una eficacia favorable en melanomas, carcinomas amicrocíticos de pulmón y cáncer de próstata (tabla 1).

Tabla 1. Vacunas de ARNm en ensayos clínicos contra el cáncer (fase 2 y posteriores) 

Aunque las vacunas de ARNm contra el cáncer están despertando el interés de la comunidad investigadora, la mayor parte de la investigación oncológica se ha centrado tradicionalmente en las terapias de ARNm, y hay una amplia variedad de candidatos que han entrado en la fase de desarrollo clínico (tabla 2), entre ellos: 

• TriMix-MEL (eTheRNA Immunotherapies), una combinación de tres ARNm que activan células inmunitarias esenciales contra el cáncer. 
• Una terapia de ARNm (BioNTech) que codifica un anticuerpo monoclonal que actúa sobre la claudina 18, una proteína que se expresa en varios tipos de cáncer. 
• Un ARNm encapsulado en NPL (MedImmune LLC) administrado mediante inyección intratumoral que se ha diseñado para aumentar la producción local de interleucina-12 (IL-12) e inducir una respuesta inmunitaria antitumoral. 

Tabla 2. Productos terapéuticos de ARNm en ensayos clínicos contra el cáncer

Las vacunas del ARNm contra el cáncer, cada vez más cerca

En los últimos años, ha habido importantes avances en la tecnología empleada en la lucha contra el cáncer, pero siguen existiendo algunos retos fundamentales. En primer lugar, las vacunas de ARNm contra el cáncer necesitan sistemas de envasado y administración específicos que tengan una afinidad adecuada con el órgano o el tejido en el que deben actuar. Actualmente, los investigadores están evaluando estrategias que faciliten estos aspectos, por ejemplo, mediante la conjugación de restos que actúen sobre órganos concretos con nucleótidos. Aunque las NPL son los vehículos más estudiados para la administración de ARNm, su aplicación clínica se ha visto obstaculizada por los problemas de citotoxicidad y por su tiempo de circulación, relativamente corto. Por este motivo, se están evaluando varios sistemas de administración alternativos (p. ej., exosomas) para mejorar la biodisponibilidad, la carga y la liberación de la carga de ARNm.

Una correcta administración de la carga de ARNm no es suficiente. Para maximizar la eficacia, los investigadores están estudiando estrategias que potencien la expresión de las proteínas in vivo. Todas las partes del ARNm —la caperuza y las regiones 5′ y 3′, el marco abierto de lectura y la cola poliadenilada— se pueden optimizar para incrementar la expresión de las proteínas. Los nucleósidos modificados químicamente han presentado resultados prometedores en esta área.

Además de la cantidad de expresión proteínica, un obstáculo crucial de las vacunas de ARNm es el periodo relativamente corto de producción de proteínas, que obliga a repetir la administración. Se están explorando los ARNm circulares y autoamplificados como estrategias para prolongar la vida útil del ARN y aumentar la producción total de proteínas.

Aunque todavía queda un largo camino por delante, las vacunas de ARNm son una opción clínica versátil para tratar varios tipos de cáncer, ya sea por sí solas o en combinación con otras opciones terapéuticas, como los inhibidores de puntos de control. Mientras esperamos que las primeras terapias de ARNm lleguen al mercado, será interesante explorar los resultados de las numerosas estrategias innovadoras diseñadas para avanzar en la lucha global contra el cáncer.

Si desea obtener más información sobre las vacunas y terapias de ARNm, lea nuestro artículo revisado por pares publicado en ACS Pharmacology and Translational Science.

Este informe de CAS Insights, elaborado en colaboración con la Universidad Westlake de Hangzhou, China, repasa el panorama emergente de los hidrogeles, los agentes antimicrobianos, las nanopartículas lipídicas, los exosomas y otros avances que están redefiniendo el futuro de los materiales que interactúan con sistemas biológicos. Este informe identifica las nuevas oportunidades, las tendencias emergentes y los principales desafíos a los que se enfrentan las numerosas industrias y disciplinas que trabajan con biomateriales. Puede obtener más información en el informe detallado que se incluye a continuación.