La humanidad logra por primera vez modificar los enlaces entre átomos de una única molécula

El avance permitirá construir máquinas moleculares inimaginables hoy en día, capaces de realizar tareas como la distribución inteligente de fármacos

El químico Diego Peña, de la Universidad de Santiago de Compostela.
El químico Diego Peña, de la Universidad de Santiago de Compostela.IBM Research

Un equipo internacional de científicos ha logrado, por primera vez en la historia, modificar moléculas individuales de forma selectiva, rompiendo o formando enlaces entre sus átomos a voluntad. El avance hará posible la creación de moléculas hasta ahora inimaginables, según proclama el químico español Diego Peña, uno de los líderes del grupo. “Esta técnica va a revolucionar la química”, sentencia. Su investigación es portada de la revista Science, referente de la mejor ciencia mundial.

Una molécula es simplemente una agrupación de átomos. El agua —como indica su famosa fórmula química, H₂O— tiene dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por los llamados enlaces covalentes, en los que se comparten electrones. En la actualidad, para modificar moléculas, los científicos utilizan un proceso similar a meter trillones de ladrillos de LEGO en una lavadora, esperando que se ensamblen y formen el producto deseado, según una ilustrativa comparación utilizada por el químico ruso Igor Alabugin y su colega chino Chaowei Hu en la propia revista Science. El equipo de Peña, en cambio, ha utilizado un microscopio de última generación, capaz de concentrarse en una única molécula de una millonésima de milímetro y de modificar sus enlaces mediante pulsos eléctricos.

“Podemos ensamblar los átomos de una forma inimaginable”, celebra Peña, del Centro Singular de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares (CiQUS), de la Universidad de Santiago de Compostela. El científico, un santiagués a punto de cumplir 48 años, parafrasea una célebre frase de la película Blade Runner: “Yo he visto moléculas que vosotros no creeríais”. Él y sus colegas han creado diferentes estructuras con 18 átomos de carbono y ocho de hidrógeno, formando anillos y otras florituras, de manera reversible. “Si le preguntaras a un químico si es posible sintetizar algunas de estas moléculas, te diría que es imposible, porque reaccionarían con el ambiente y durarían milisegundos”, opina Peña.

Una molécula con 18 átomos de carbono y ocho de hidrógeno, modificada con un microscopio de IBM en Zúrich.
Una molécula con 18 átomos de carbono y ocho de hidrógeno, modificada con un microscopio de IBM en Zúrich.Science

Los autores han utilizado una versión avanzada del microscopio de efecto túnel, cuyos inventores —el alemán Gerd Binnig y el suizo Heinrich Rohrer, del laboratorio de la empresa IBM en Zúrich (Suiza)— ganaron el Nobel de Física en 1986. Estos instrumentos, que requieren una temperatura de alrededor de 270 grados bajo cero y condiciones de ultraalto vacío para garantizar la estabilidad de las moléculas, son capaces de obtener imágenes de superficies a nivel atómico. El equipo de Peña ya logró ser portada de la revista Science en 2012, tras obtener la primera imagen de enlaces entre átomos de moléculas individuales.

El físico alemán Leo Gross, de IBM, es otro de los autores principales de la investigación. “Las reacciones selectivas en una sola molécula pueden permitir la creación de novedosas máquinas moleculares artificiales, más complejas y versátiles”, expone Gross, que imagina un futuro en el que se mejorará la síntesis y la distribución de fármacos. “Estas máquinas moleculares podrían realizar tareas como el transporte de otras moléculas o de nanopartículas, la fabricación y la manipulación de nanoestructuras y la facilitación de transformaciones químicas”, añade el físico. Para llegar a ese futuro, hará falta primero dominar esta nueva técnica, que está todavía “en su infancia”, según reconocen sus autores.

El físico alemán Leo Gross posa con un microscopio de efecto túnel en el laboratorio de IBM en Zúrich.
El físico alemán Leo Gross posa con un microscopio de efecto túnel en el laboratorio de IBM en Zúrich.IBM

Peña, Gross y sus colegas han jugado con esa molécula de 18 átomos de carbono y ocho de hidrógeno, generando tres resultados diferentes mediante pulsos eléctricos de un par de voltios. Con la misma receta, C₁₈H₈, se obtienen tres estructuras tridimensionales distintas. Los investigadores pueden cambiar esas configuraciones una y otra vez, cientos de veces, haciendo que el sistema reaccione o no con otras moléculas. Los químicos Igor Alabugin y Chaowei Hu, de la Universidad del Estado de Florida (EE UU), comparan estas moléculas modificables con “una navaja suiza para la química”.

El laboratorio de IBM en Zúrich desarrolla estos sofisticados microscopios. El grupo de Peña, por su parte, propone endiablados problemas químicos que se pueden resolver con estas máquinas. En los últimos años, los autores se han dedicado, por ejemplo, a analizar moléculas presentes en meteoritos. “Con las técnicas clásicas necesitas que haya unos cuantos millones de moléculas para llegar a detectarlas. Con esta nueva técnica se baja el umbral de detección a niveles ínfimos, de una única molécula”, aplaude Peña.

La portada de la revista 'Science' del 14 de julio, con los resultados del equipo del químico Diego Peña.
La portada de la revista 'Science' del 14 de julio, con los resultados del equipo del químico Diego Peña.Revista Science

Los químicos de la Universidad de Santiago de Compostela y los físicos de IBM también han investigado la estructura molecular de los asfaltenos, unos componentes sólidos del petróleo que bloquean las tuberías y son conocidos como ”el colesterol de las refinerías”. Cuando forman un tapón, hay que detener la actividad industrial y extraerlo. “Podemos analizar la estructura de los asfaltenos para ayudar a desarrollar aditivos que eviten que esas moléculas se autoensamblen y precipiten en las tuberías”, explica Peña. Su consorcio, en el que también participa la Universidad de Ratisbona (Alemania), recibió hace dos años nueve millones de euros del Consejo Europeo de Investigación.

El químico Diego Peña estuvo el 7 de mayo en Madrid en el concierto de despedida de uno de sus grupos favoritos, Siniestro Total. Los músicos gallegos, conocidos por sus letras irreverentes con guiños científicos, cantaron uno de sus himnos: “¿Qué es el ser? ¿Qué es la esencia? ¿Qué es la nada? ¿Qué es la eternidad? ¿Somos alma? ¿Somos materia?”. Peña reflexiona sobre esa materia de la que están hechos los seres humanos y cualquier cosa. “Es muy importante que la sociedad se dé cuenta del valor de la investigación básica: el conocimiento por el conocimiento. Yo quiero controlar cómo se ensamblan los átomos. ¿Para qué vale eso? Pues para todo, porque todo está formado por moléculas y por átomos”, argumenta. Las aplicaciones, como las futuras moléculas, son inimaginables, pero en cualquier caso habrá que esperar para verlas, recalca Peña: “Evidentemente, no vamos a curar el cáncer mañana”.

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Sobre la firma

Manuel Ansede

Manuel Ansede es periodista científico y antes fue médico de animales. Es cofundador de Materia, la sección de Ciencia de EL PAÍS. Licenciado en Veterinaria en la Universidad Complutense de Madrid, hizo el Máster en Periodismo y Comunicación de la Ciencia, Tecnología, Medioambiente y Salud en la Universidad Carlos III

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