Esta semana se ha concedido el premio Nobel de Química de 2020 a Emmanuelle Charpentier y Jennifer A. Doudna por su descubrimiento seminal de la tecnología de edición genética CRISPR. Esta tecnología ha tenido un gran impacto en diversos campos y ha mejorado nuestra forma de diagnosticar enfermedades humanas, desarrollar nuevos tratamientos e incluso cultivar alimentos. El gráfico siguiente muestra el crecimiento explosivo de las investigaciones relacionadas con CRISPR publicadas tras este descubrimiento fundamental.
Cada año, para elegir al ganador, el Comité del Nobel se enfrenta a la nada envidiable tarea de examinar miles de avances revolucionarios en el campo de la investigación para encontrar los que hayan tenido más impacto y hayan proporcionado mayores beneficios. Dado el extraordinario nivel de la investigación química en todo el mundo, no es una tarea sencilla.
Con esto en mente, mis colegas del equipo científico de CAS y yo hemos analizado las investigaciones químicas que, en nuestra opinión, han tenido más impacto y no han sido reconocidas aún con un premio Nobel. No pierda de vista a estos excepcionales investigadores y descubrimientos en los próximos años (y las próximas ceremonias de los Nobel).
Química bioinorgánica
La especialista en información de CAS Rumiana Tenchov, experta en biología molecular y biofísica, señala que la “química bioinorgánica estudia el papel que los metales —tanto naturales como introducidos artificialmente— desempeñan en los campos de la biología, la medicina y la toxicología. En este ámbito, científicos como Harry B. Gray, Stephen J. Lippard y Richard H. Holm han realizado algunas contribuciones extraordinarias. El avance de su investigación colectiva sobre química bioinorgánica proporciona la intuición molecular necesaria para interpretar el comportamiento de los metales en los sistemas biológicos y abre la puerta a una amplia gama de aplicaciones”.
Gray demostró la técnica pionera del túnel de electrones a larga distancia en las proteínas y midió las tasas de transferencia de electrones usando biomoléculas de proteínas especialmente modificadas. Aunque la transferencia de electrones es un proceso fundamental, se sabía poco sobre los factores químicos que la rigen en los sistemas biológicos. Holm, por su parte, ha trabajado en la síntesis, la estereoquímica, la estructura electrónica y la reactividad de los compuestos de metales de transición. Preparó los primeros análogos sintéticos de los sitios activos de las proteínas hierro-azufre y ha ayudado a desarrollar rutas de síntesis para las metaloproteínas de bajo peso molecular que duplican los centros biológicos en las enzimas. Lippard, considerado uno de los fundadores de la química bioinorgánica y la metaloneuroquímica (el estudio de los iones metálicos y sus efectos en el cerebro y el sistema nervioso), ha desarrollado fármacos antineoplásicos basados en el platino de la familia del cisplatino y ha determinado la estructura y la función de una enzima que permite a los microbios vivir en el gas natural (metano monooxigenasa). Su trabajo tiene aplicaciones en el tratamiento del cáncer, la biorremediación medioambiental y el desarrollo de combustibles sintéticos.
Síntesis de ADN
La replicación del ADN es el mecanismo esencial que regula la herencia biológica. Marvin H. Caruthers es uno de los líderes de la investigación en este campo por su desarrollo de técnicas revolucionarias para la síntesis química de ADN. Su grupo de investigación ha desarrollado métodos avanzados para la síntesis de ADN con fosforamidita. Estos métodos han posibilitado la ingeniería genética de nuevos productos biofarmacéuticos, la obtención de huellas de ADN con fines forenses y el avance del proyecto Genoma Humano. El ADN sintetizado por medio de estos nuevos métodos también se ha incorporado en "máquinas genéticas" para ayudar a los científicos a analizar el ADN y la expresión genética. Gracias al trabajo de Caruthers, la síntesis de ADN y proteínas, que antes era una exploración muy especializada, se ha convertido en una herramienta de uso general para la investigación, el diagnóstico y la ciencia forense.
Al subrayar el enorme impacto de este trabajo seminal, Tenchov señala: “Los métodos para sintetizar ADN con procedimientos químicos supusieron un avance gigantesco para la investigación biológica y aceleraron el crecimiento de la industria biotecnológica, que ha tenido un enorme éxito”.
Química supramolecular y nanomateriales
El científico Chad A. Mirkin es el químico más citado del mundo (en citas totales) y el investigador más citado del campo de la nanomedicina. Ha realizado importantes contribuciones en el campo de la nanociencia fundamental y aplicada, los nanomateriales, la nanomedicina y la nanolitografía. Mirkin es muy conocido por su desarrollo de sistemas de nanopartículas para la detección molecular, su trabajo sobre química supramolecular y nanomateriales programables y la invención de la nanolitografía dip-pen (que permite crear superficies extraordinariamente sofisticadas para el uso en biosensores y circuitos integrados de escala nanoscópica). Mirkin también descubrió los ácidos nucleicos esféricos. Estas estructuras, que se crean organizando químicamente ácidos nucleicos funcionalizados sobre las superficies de núcleos de nanopartículas, han hecho posible el desarrollo de sondas diagnósticas de alta sensibilidad para el diagnóstico temprano, así como de sistemas de administración de fármacos capaces de atravesar las barreras biológicas.
Tenchov resume así el impacto de la contribución de Mikin: “En su conjunto, el trabajo de Mirkin sentó las bases de la nanotecnología moderna y del desarrollo de las aplicaciones diagnósticas, terapéuticas y de materiales relacionadas con ella”.
Fotoprotecciones amplificadas químicamente
Las fotoprotecciones, unos polímeros fotosensibles que cambian de estructura cuando se exponen a la radiación, se usan en el revestimiento y la fabricación de los microprocesadores de los ordenadores. Destaca en este ámbito el trabajo de C. Grant Willson, Jean Fréchet y Hiroshi Ito, que ha posibilitado el desarrollo de fotoprotecciones que se pueden usar para revestir, proteger y alargar el control y la vida útil de las obleas de silicio con las que se fabrican los circuitos integrados de los ordenadores de manera selectiva. Esto permite modificar las propiedades de los circuitos integrados cuando se considera necesario; por ejemplo, si es fácil o difícil disolverlos en un disolvente para poder transferir el patrón deseado. Willson y Fréchet han desarrollado fotoprotecciones que se degradan rápidamente a intensidades de luz más bajas, mientras que Willson e Ito han creado ácidos iniciados por medios fotoquímicos que activan reacciones de degradación en cadena en las fotoprotecciones existentes (de manera que la absorción de un solo fotón degrada muchas cadenas de polímeros).
El experto en información de CAS Robert Bird, cuya especialidad es la química orgánica sintética, destacó las repercusiones funcionales de esta tecnología: “La combinación de nuevos materiales y aditivos permite fabricar los circuitos integrados de ordenadores con longitudes de onda más cortas e intensidades de luz más bajas, lo que incrementa la densidad de elementos y la potencia en relación con su tamaño. Esto permite fabricar ordenadores, smartphones y otros equipos electrónicos de consumo modernos y los hace más asequibles”.
Química click y bioortogonal
La "química click", un término acuñado por el profesor K. Barry Sharpless, describe las reacciones que se pueden usar para conectar moléculas rápidamente en condiciones ambientales. Sharpless ideó la formación de inhibidores enzimáticos mediante el acoplamiento de moléculas más pequeñas en el sitio activo de una enzima. Su laboratorio ayudó a desarrollar versiones regioselectivas catalizadas por cobre de una reacción concreta (la cicloadición azida-alquino de Huisgen) para formar compuestos químicos isoméricos (1,2,3-triazoles). Desde entonces, este método se ha usado para preparar polímeros, anticuerpos y productos farmacéuticos por su sencillez y su fiabilidad.
La química bioortogonal, así bautizada por Carolyn Bertozzi a finales de la década de 1990, describe reacciones que se producen con rapidez en condiciones biológicas (a temperatura ambiente o a temperaturas cercanas a ella, en soluciones acuosas, en presencia de moléculas biológicas y a bajas concentraciones). Bertozzi y su grupo de investigación desarrollaron una variante de la reacción de Staudinger para estudiar los carbohidratos presentes en los sistemas biológicos: una reacción en la que una azida reacciona con triarilfosfinas con sustitución de éster para producir una molécula dipolar neutra (un iminofosforano). Además, el laboratorio de Bertozzi desarrolló un método de cicloadición que no requiere un catalizador de cobre potencialmente tóxico y, por tanto, se puede usar en células vivas para estudiar procesos biológicos existentes (cicloadiciones azida-alquino promovidas por tensión anular (SPAAC)).
Bird subraya el impacto de este trabajo: “Estás técnicas han hecho posible la preparación de nuevos fármacos —incluidos los fármacos inmunoconjugados de última generación— y agentes diagnósticos, y han ayudado a los investigadores a determinar de una forma más sencilla e inequívoca las vías biológicas”.
Polimerización por radicales controlada por transferencia de átomos (ATRP)
El científico especializado en información de CAS, Min Wang, un experto en la química de fullerenos y polímeros, destacó la importancia de la ATRP: “La ATRP es uno de los métodos más fiables para preparar polímeros con arquitecturas moleculares controladas con precisión”.
Los científicos Krzysztof Matyjaszewski, Ezio Rizzardo y Mitsuo Sawamoto han desempeñado un papel fundamental en el desarrollo de esta metodología, cuyo uso se ha generalizado para los monómeros vinílicos y acrílicos. Resuelve la importante desventaja de la polimerización por radicales libres en los métodos convencionales, que puede causar una distribución incontrolada del peso molecular a causa de las rápidas tasas de terminación entre los radicales, imposibles de evitar. La ATRP controla el proceso de polimerización desactivando los radicales que se propagan para formar especies durmientes (que se pueden reactivar de forma intermitente con catalizadores de metales de transición). La ATRP favorece un crecimiento más uniforme de la cadena polimérica de una gama más amplia de monómeros con diferentes propiedades químicas en los materiales de campo.
Conectar la información de la investigación internacional para acelerar nuevos descubrimientos
Estos avances seminales, y los trabajos adicionales desarrollados a partir de ellos, demuestran la naturaleza iterativa y conectada del descubrimiento científico. Cada día, miles de nuevas publicaciones ofrecen información novedosa que puede ser la clave para impulsar el trabajo de otro investigador. CAS recopila, selecciona y analiza la ciencia divulgada en el mundo, y ayuda a los investigadores proporcionándoles información que puede catalizar el próximo descubrimiento y, quién sabe, tal vez un futuro Nobel. Este objetivo común motiva al equipo de CAS a encontrar las conexiones entre los trabajos de los investigadores internacionales que acelerarán las soluciones a los problemas más apremiantes del mundo. Descubra cómo lo hacemos.
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