La química como herramienta en biomedicina

La sesión de ayer del  curso de divulgación Los avances de la química y su impacto en la sociedad tuvo por título La química como herramienta en biomedicina, y fue expuesta por Enrique Mann. La sesión contó con numerosa asistencia que, como está siendo habitual, mantuvo una interesante y animada discusión; especialmente centrada en temas relacionados con el papel que tendrá el conocimiento del genoma humano en el futuro de la humanidad.

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Éste fue sólo uno de los temas que abordó Enrique Mann (ver más abajo). Con su conferencia, Enrique demostró el papel relevante que la química tiene en el desarrollo de la biomedicina. la química proporciona sustancias que curan enfermedades, palian síntomas de enfermedades, previenen enfermedades y piezas de recambio para nuestro cuerpo. Estos temas ya han sido tratados por María Vallet-Regí y Juan José Vaquero en sus conferencias en el curso, que se pueden descargar aquí y aquí.

Mann_Introduccion

En esta tercera conferencia sobre biomedicina, Enrique Mann destacó un aspecto importante de la relación entre la química y la biología. La biología necesita de moléculas y métodos de trabajo de la química para poder estudiar procesos biológicos. Cuando estos procesos tienen que ver con la salud humana, surge la interacción entre la química y la biomedicina y nace una nueva área interdisciplinar de investigación, la química biológica (o quizás más precisamente definida como biología química como traducción del término inglés Chemical Biology).

EM_Presentacion

Mann_Quimica_BiologicaLa conferencia abordó desarrollos recientes en biomedicina, tratando principalmente tres aspectos. En primer lugar se trató el papel biológico de los receptores acoplados a proteínas G (GPCRs), así como la importancia de la química en la elucidación de su mecanismo molecular de acción. Por supuesto, se recordó especialmente a Lefkowitz y  Kobilka, galardonados con el último Premio Nobel de Química y de lo que se habló en el programa A hombros de Gigantes (RNE) del día 10 de diciembre de 2012.

EM_Kobilka_Lekkowitz

Mann_GPCRs

Otro tema que se trató tiene que ver con un problema médico y social actual y es la necesidad de tener dispositivos implantables en el ser humano (como marcapasos, neuroestimulador, estimulador gástrico, etc.) que sean más duraderos. El problema de estos dispositivos es la batería, pues las actuales tienen duraciones de 10 años como máximo, lo que supone un problema médico, al tener que reemplazar el dispoistivo después de este tiempo (lo que supone cirugía y otros inconvenientes). Enrique Mann explicó algunos avances recientes en el desarrollo de biobaterías y nanobaterías más duraderas y con un funcionamiento que aproveche las reacciones bioquímicas del ser humano. Un tema de investigación interdisciplinar de gran actualidad y un futuro prometedor.

Mann_Dispositivos_Implnatables

Finalmente, Enrique Mann trató el siempre apasionante (y polémico) de la secuenciación del genoma. Recordó los métodos “clásicos” de secuenciación (el de Gilbert y el de Sanger; para una descripción detallada del método de Sanger se puede descargar la conferencia de Carlos Miranda en la segunda edición del curso de divulgación); e incidió en la necesidad de tener métodos rápidos de secuenciación del genoma, lo que expuso comentando diversas publicaciones recientes enfocadas a resolver este problema.

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En definitiva, una gran conferencia. La copia de las diapositivas las podéis descargar aquí.

Nota. Este post participa en la XXII Edición del Carnaval de Química que aloja el blog Roskiencia.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es
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Curso de divulgación

El curso de divulgación Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad se celebrará entre el 10 de enero y el 21 de marzo de 2013 en la sala de prensa del CSIC (Serrano, 113; Madrid).

El curso constará de 11 conferencias que se celebrarán jueves 10, 17, 24 y 31 de enero, 7, 14, 21 y 28 de febrero y 7, 14 y 21 de marzo de 2013 y 2 mesas redondas los lunes 4 de febrero y 4 de marzo de 2013. Las sesiones comenzarán a las 18:00.

En el curso se abordarán aspectos sobre cómo la química afecta a nuestras vidas; exponiendo ejemplos que demuestran que la química proporciona la mayoría de las comodidades de nuestra vida cotidiana, con aplicaciones en salud humana, veterinaria, agricultura, protección ambiental, materiales útiles, etc. Además, la química es una ciencia madura y útil para explicar fenómenos naturales, desde la vida hasta la detección de planetas extrasolares. También se abordarán temas de investigación en la frontera del conocimiento (nanociencia, biomateriales, biomedicina, etc.) en los que la química tiene mucho que aportar.

Es un curso de divulgación científica dirigido al público en general, y especialmente dedicado a alumnos y profesores de ESO y bachillerato.

Se realizarán actividades específicas, a través de mesas redondas y debates, relacionadas con la enseñanza y divulgación de las ciencias y sobre el tratamiento de las ciencias en los medios de comunicación.

Las copias de las presentaciones y resúmenes de las mesas redondas se colgarán en INTERNET. La página web http://www.losavancesdelaquimica.com/ y los blogs http://www.madrimasd.org/blogs/quimicaysociedad/ y https://educacionquimica.wordpress.com/ servirán como fuente de información e intercambio de opiniones sobre los temas tratados en el curso.

Conferencias del curso

La inauguración (10 de enero de 2013) correrá a cargo de la Profesora María Vallet-Regí (Catedrática de Química Inorgánica de la Universidad Complutense de Madrid, Premio Nacional de Investigación, Académica de la Real Academia de Farmacia y de la Academia de Ingeniería, Medalla de Oro de la RSEQ) que impartirá una conferencia sobre ¿Puede la química reparar el cuerpo humano?

La clausura (21 de marzo) correrá a cargo del Profesor Nazario Martín León (Catedrático de Química Orgánica de la Universidad Complutense de Madrid, Premio Jaime I, Premio DuPont, expresidente de la RSEQ, Medalla de Oro de la RSEQ) que impartirá una conferencia sobre Química y nanociencia.

Habrá otras nueve conferencias, cuyos temas serán:

Los avances de la química y su impacto en la sociedad a lo largo de la historia (Dr. Bernardo Herradón)

El papel de la química en el suministro de agua y alimentos (Prof. Yolanda Pérez, Universidad Rey Juan Carlos)

La química y la propiedad industrial (Dra. Sénida Cueto, directora del departamento de patentes de UNGRÍA patentes y marcas)

La química y la salud. Medicamentos (Prof. Juan José Vaquero, Catedrático de Química Orgánica de la Universidad de Alcalá y Presidente de la Sección Territorial de Madrid de la RSEQ)

La química como herramienta en biomedicina (Dr. Enrique Mann, IQOG-CSIC).

¿Natural? ¿Sintético? ¡Todo es química! (Dr. Herradón)

La química, ¿ángel o demonio? (Dr. Herradón)

La química en el deporte (Dr. Herradón)

La química y la energía (Prof. Emilio Morán, Catedrático de Química Inorgánica de la Universidad Complutense de Madrid).

Las fechas exactas de cada conferencia se anunciarán en la página web http://bit.ly/RcmZEI.

Mesas redondas

Se celebrarán los lunes 4 de febrero y 4 de marzo de 2013, con los siguientes temas y ponentes, respectivamente:

La ciencia y los medios de comunicación. Los ponentes serán Carlos Elías (Químico y periodista, Catedrático de Periodismo en la Universidad Carlos III), José Antonio López-Güerrero (Profesor Titular de Microbiología de la Universidad Autónoma de Madrid y Divulgador Científico) y Manuel Seara Valero (Biólogo y periodista, Jefe del área de Sociedad de RNE, Director del programa A Hombros de Gigantes).

Enseñanza y divulgación de las ciencias. Los ponentes serán Luis Moreno (licenciado en química y administrador del blog El cuaderno de Calpurnia Tate), Benigno Palacios (Profesor en el Colegio Santo Domingo Savio de Madrid), Gabriel Pinto (Catedrático de Química en la ETSII de la Universidad Politécnica de Madrid).

Asistencia e inscripción

Las charlas serán independientes entre sí, por lo que cualquiera de ellas se podrá seguir sin necesidad de haber asistido a las anteriores. Tampoco son necesarios conocimientos de química, solo interés por el tema. Los alumnos que soliciten el diploma de asistencia al curso deberán asistir al menos a 8 sesiones. Las personas interesadas en asistir, deben enviar un mensaje de correo electrónico a b.herradon@csic.es

Para más información contactar con Bernardo Herradón (CSIC y RSEQ, b.herradon@csic.es).

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

Linus Pauling: uno de los tres grandes de la historia de la química. Tendiendo puentes entre la química, la biología y la física.

A veces me han preguntado cuales son los químicos más importantes de todos los tiempos. Siempre es difícil elegir entre tanto científico ilustre. Pero me lanzo a la piscina y digo “si tengo que elegir a uno, es Mendeleev; si son dos, añado a Pauling; y si hay que elegir un tercero, propongo a Lavoisier”

¿Por qué esa elección? ¿Tienen algo en común estos tres químicos de épocas tan distantes y que usaron técnicas y teorías tan diferentes?

Cronológicamente, el primero fue Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794), con el que la química empezó a ser una ciencia moderna basada en el método científico. A partir de sus investigaciones, se pudieron obtener numerosos datos experimentales sobre los elementos, compuestos químicos y sus transformaciones.

Dimitri Mendeleev (1834-1907) fue fundamental en sistematizar el enorme caudal de resultados experimentales obtenidos en las décadas precedentes, identificando similitudes y diferencias entre los elementos químicos; y, lo que es más importante, predecir nuevos resultados. La culminación de sus investigaciones lo constituye la identificación de la periodicidad de las propiedades químicas, que dieron lugar a  la Tabla periódica de los elementos químicos. Esta es uno de los iconos de la ciencia y posiblemente la mayor aportación de la química a la historia de la cultura universal (entendiendo como cultura, también la científica; por supuesto). Crear la tabla periódica en una época en la que no se conocía la estructura íntima de la materia constituye un hito heurístico.

El tercero de los grandes es Linus Pauling, del que hoy se conmemora el 111º aniversario de su nacimiento y que, en cierto modo, expandió el trabajo de Mendeleev; haciendo contribuciones que permitieron entender como los elementos químicos (a través de los átomos, ya aceptados por toda la comunidad científica) se combinan entre sí a través de enlaces químicos.

Pauling estaba convencido de que entender la estructura es la clave para descifrar algunos de los misterios del universo. Para llegar a este conocimiento, Pauling usó las herramientas de la física, ilustrada por la mecánica cuántica, siendo un pionero del uso de la mecánica cuántica en química y, de hecho, uno de los fundadores de la química cuántica.

Pauling nació en Oregon el 28 de febrero de 1901. Quedó huérfano de padre siendo muy joven. Por problemas económicos familiares, se le recomendó que estudiase una carrera práctica que le permitiese encontrar trabajo pronto. Por eso eligió estudiar ingeniería química en la Oregon State University (OSU), graduándose en 1922.

Desde muy joven, pensaba que la física era fundamental para entender el comportamiento químico y decidió realizar la tesis doctoral en química física. Solicito realizar la tesis en el grupo de Arthur Noyes, en el Instituto Tecnológico de California (Caltech), uno de los químicos físicos más prestigiosos de la época. Parece ser que Noyes dudó en su contratación porque Pauling era  un ingeniero químico que no había asistido a cursos de química física avanzada. Sin embargo, convenció a Noyes y éste le admitió en su grupo; donde terminó la tesis en 1925.

Becado por la Fundación Guggenheim (en la época en la que ser becario era un honor y no era una palabra denigrada como actualmente) realizó estancias postdoctorales entre 1926 y 1927. Reconociendo el papel que la ciencia europea estaba realizando para entender la estructura de la materia, trabajó en Copenhage con Niels Bohr (Premio Nobel de Física en 1922), en Münich con Arnold Sommerfeld (no recibió el Premio Nobel, pero lo mereció varias veces), en Londres con William H. Bragg (Premio Nobel de Física en 1915) y en Göttingen con Max Born (Premio Nobel de Física en 1954). Sin duda, recibió una excelente formación teórica y experimental en mecánica cuántica y en cristalografía; en definitiva, en las estructuras de sustancias químicas, ya sean átomos, sales o moléculas.

De vuelta a Estados Unidos, fue contratado como profesor en Caltech donde permaneció hasta su jubilación en 1973. Tras esta fecha y hasta su muerte, el 19 de agosto de 1994, Pauling trabajó como profesor emérito en la Stanford University, donde se creó el Linus Pauling Institute (LPI). Pauling investigó de manera continuada durante 72 años, siendo un testigo privilegiado y protagonista del mayor desarrollo de la historia de la química. Posteriormente, su legado fue trasladado desde el LPI a su Alma Mater, la OSU.

Pauling fue un excelente docente y divulgador de la ciencia. En esta última faceta era frecuente su participación en medios diversos explicando ciencia. Un ejemplo se puede encontrar en el vídeo http://www.youtube.com/watch?v=KDDQMTfMZxE.

En su faceta docente, parece que era un profesor espectacular al que le gustaba ilustrar sus explicaciones teóricas con demostraciones prácticas en clase. Hay una característica que le iguala con Mendeleev. Cuando éste tuvo que explicar Química general a sus alumnos de primer curso de la Universidad de San Petersburgo, no encontró ningún libro de texto que le satisficiera; por lo que decidió escribir su libro Principios de química, cuya redacción le inspiró para crear la tabla periódica. Lo mismo le pasó a Pauling. Cuando tuvo que explicar Química general a alumnos de primer curso de Caltech, se dio cuenta que lo mejor era escribir su propio libro de texto. Así nació su libro General Chemistry, cuya primera edición se publicó en 1947, constituyendo un clásico de la enseñanza de la química desde entonces.

Realizó aportaciones fundamentales en las bases teóricas de la química, usando la mecánica cuántica para explicar la estructura molecular y el enlace químico. Introdujo conceptos fundamentales como la resonancia y la hibridación. De estos estudios surgió el libro Introduction to Quantum Mechanics with Applications to Chemistry (escrito en colaboración con E. Bright Wilson) en 1935; un clásico en química cuántica.

Pauling fue un pionero en el uso de la cristalografía en química, siendo el primer tema que desarrolló a su vuelta a Caltech en 1927. El uso de la difracción de rayos X y de la difracción de electrones le permitió profundizar en la estructura de compuestos inorgánicos (principalmente) y orgánicos y empezar a entender la naturaleza del enlace químico. De estas investigaciones surgieron las reglas de Pauling para predecir la estructura cristalina de compuestos iónicos y la escala de electronegatividad que desarrolló, que permitió determinar el carácter iónico/covalente (parcial) de los enlaces químicos.

Con estas investigaciones, Pauling se convirtió en la máxima autoridad en química estructural de la historia. Su amplio conocimiento lo plasmó en el libro The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals; publicado por primera vez en 1939, convirtiéndose en uno de los libros científicos clásicos.

A mediados de la década de los años 1930s, Pauling empezó a interesarse en moléculas de interés biológico, especialmente proteínas. Pensaba que la función podría entenderse a partir de su estructura y que ésta podría determinarse por los métodos que él estaba usando para moléculas pequeñas, especialmente métodos de difracción.

Ya en 1934, en conexión con sus investigaciones sobre magnetismo de sustancias químicas, determinó las propiedades magnéticas de la hemoglobina. Ésta es la proteína transportadora de oxígeno en los glóbulos rojos de la sangre en los mamíferos y su estructura y funcionamiento son vitales para entender el mecanismo molecular del transporte de oxígeno y las consecuencias sobre la salud que puede tener su malfuncionamiento.

En 1940 hizo la propuesta novedosa de que la especificidad de las interacciones biológicas se debe a la complementariedad molecular, lo que permite explicar las interacciones entre los antígenos y anticuerpos (con implicaciones en inmunología) y la catálisis enzimática. En esta última área, propone que el aumento de la velocidad de una reacción enzimática se debe a la estabilización del estado de transición por interacción con la enzima. Esta hipótesis explica muchos resultados experimentales y sirve para el diseño de fármacos por inhibición enzimática.

Basándose en la complementariedad molecular, Pauling propuso en 1946 que un gen podría consistir en dos hebras mutuamente complementarias, un concepto que anticipó la propuesta de Watson y Crick para la estructura del DNA.

En los años 1940s, Pauling creó el área de la medicina molecular al proponer que la anemia falciforme estaba causada por la mutación de un único aminoácido de los 457 que forman la cadena monomérica de hemoglobina.

En 1948 propuso las estructuras secundarias de las cadenas peptídicas: la hélice alfa y la lámina beta. Su propuesta fue teórica basada en el empleo de modelos moleculares y su profundo conocimiento de la estructura molecular e interacciones no covalente. Poco después se encontró experimentalmente (por difracción de rayos X) que estas propuestas eran motivos estructurales frecuentes en la estructura de péptidos y proteínas.

Con sus propuestas y resultados experimentales sobre la estructura de proteínas, mecanismos de reacciones enzimáticas, complementariedad de proteínas y ácidos nucleicos, y en medicina molecular; se puede considerar a Pauling uno de los fundadores de la biología molecular y su moderna ramificación, la biomedicina.

En la época del Macarthismo en Estados Unidos, estuvo castigado sin pasaporte, lo que le impidió viajar a Inglaterra a para ver las fotografías de la difracción de rayos X tomadas por Rosalind Franklin. Si hubiese visto las fotografías, seguramente hubiese propuesto la estructura de doble hélice del DNA antes que Watson y Crick y la historia de la ciencia hubiese cambiado. Pero esto se ciencia ficción.

Ya en esa época había recibido el Premio Nobel de Química por sus aportaciones a la química estructural, Pacifista convencido y activo (de ahñi los problemas en su país), defendió el desarme nuclear. Por estas acciones, recibió el Premio Nobel de la Paz de 1962 (entregado en 1963). Ha sido la única persona que ha recibido dos Premios Nobel de manera individual: Química (1954) y Paz (1962).

En definitiva, un gigante de la ciencia y de la historia de la humanidad.

Nota: Este post participa en la XII Edición del Carnaval de Química, que aloja el  blog Historias con mucha química (como todas) que administra María Docavo y en la X Edición del Carnaval de Biología, que aloja el blog Scientia que administra José Manuel López Nicolás.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es