Biotecnología industrial – Moléculas limpiadoras

I. Definición de biotecnología:

Es la utilización de procesos biológicos para producir bienes y servicios. Estos bienes incluyen productos químicos, alimentos, combustibles y medicamentos. Los servicios que puede ofrecer la biotecnología incluyen el tratamiento de residuos o el control de la contaminación.

Se divide en varias ramas, siendo la de nuestro interés la biotecnología blanca o industrial, que su principal objetivo es la creación de productos fácilmente degradables que consuman menos energía y generen menos desechos durante su producción, permitiendo consumir menos recursos que los procesos tradicionales utilizados para producir bienes industriales.

II. Definición de química verde o sostenible:

La química verde se conforma de una serie de principios que reducen o eliminan el uso o generación de sustancias peligrosas en el diseño, manufactura y aplicación de productos químicos. Al ofrecer alternativas de mayor compatibilidad ambiental, comparadas con los productos o procesos disponibles actualmente, cuya peligrosidad es mayor y que son usados tanto por el consumidor como en aplicaciones industriales, la química verde promueve la prevención de la contaminación a nivel molecular.

Actualmente se encuentran muchas sustancias contaminantes en nuestro medio, ya que la química tradicional ha usado esas sustancias para producir las cosas que ahora tenemos. Algunas de las nuevas moléculas sintéticas son tan distintas de los productos naturales que parecen llegadas de otro planeta. Muchas de ellas no se degradan fácilmente. Se ha comprobado mediante experimentos que estas sustancias presentes en medicamentos, plaguicidas y plásticos alteran la expresión normal de genes implicados en el desarrollo del sistema reproductor masculino. Se conoce que la exposición prenatal a los ftalatos, compuestos usados en plásticos y productos de belleza, altera el aparato reproductor de los roedores macho recién nacidos. También se hizo un estudio en algunos agricultores, que presentaban un recuento de espermatozoides bajo, que tenían niveles elevados de herbicidas en la orina. Los contaminantes persistentes viajan intactos por el agua o por el aire y se incorporan a la cadena alimentaria para regresar, con frecuencia, al ser humano.

Para poder encontrar una solución al problema, se está investigando la viabilidad de la sustitución de algunos de los productos y procesos de fabricación de mayor toxicidad por alternativas más ecológicas.

Hace algunas décadas atrás, se empezaron a hacer estudios sobre los efectos del cloro en la salud pública. En esa época, el cloro se usaba (y aún se sigue usando) en la limpieza y desinfección a gran escala de fábricas, así como en la potabilización del agua. Aunque era algo efectivo y barato, el tratamiento con cloro origina algunos contaminantes de elevada toxicidad. Algunos de los subproductos generados de la cloración de agua potable se han asociado a ciertos tipos de cáncer.

Cuando en EE.UU estaba permitido el blanqueamiento con cloro de la pulpa de madera, en la industria maderera, se formaban dioxinas cancerígenas; actualmente usan dióxido de carbono para este fin, generan menor cantidad de dioxinas, aunque no las eliminan.

¿Por qué, en vez de usar el cloro para estos fines, no se usan productos de limpieza naturales, como el peróxido de hidrógeno y el oxígeno? Eliminan de forma eficiente y segura multitud de contaminantes, pero suelen requerir la participación de una enzima.

Durante decenios, los químicos se han esforzado en sintetizar moléculas pequeñas y capaces de emular a estas enormes enzimas. Tales catalizadores de diseño ofrecerían una alternativa a los procesos de oxidación basados en cloro o metales, que generan abundante cantidad de contaminantes.

III. Moléculas limpiadoras:

Hablamos de un ejemplo: el río Anacostia, en EE.UU, es uno de los ríos más contaminados en ese país. Tiene contaminantes que no han sido hallados en ningún otro lugar; desde trazas de fármacos hasta hormonas de control de la natalidad. Se sospecha que una cantidad infinitesimal de alguna de estas sustancias genera alteraciones en la bioquímica del desarrollo, y afecta notablemente a la flora y fauna existente.

Pero gracias al notable desarrollo de la química verde, se ha empezado a considerar los riesgos derivados de los procesos y productos químicos. Se han desarrollado sustitutos más seguros para pinturas y plásticos nocivos, y también nuevas técnicas de producción que reducen la emisión de contaminantes.

En el Instituto de Química de la Oxidación Verde de la Universidad Carnegíe Mellon se ha diseñado un grupo de catalizadores llamados activadores LTAM (ligandos tetra-amido-macrocíclicos), estos intervienen en la descomposición de una amplia gama de contaminantes persistentes. Estos catalizadores remedan a las enzimas del organismo.

Se ha demostrado que los LTAM destruyen plaguicidas tóxicos, colorantes y otros contaminantes. De generalizarse su uso, los LTAM podrían ahorrar millones de euros en gastos de limpieza.

La creación de enzimas sintéticas implicaba también el ensamblaje de moléculas capaces de resistir las reacciones destructivas que debían catalizar. De las enzimas aprendimos que un catalizador eficiente debería contar con un átomo de hierro localizado en el centro de una matriz molecular de grupos orgánicos. Los creadores de este proyecto resolvieron el problema planteado anteriormente mediante la creación de un catalizador en el que cuatro átomos de nitrógeno describen un cuadrado con un único átomo de hierro anclado en el centro. Los átomos de nitrógeno están unidos al átomo de hierro, más voluminoso, mediante enlaces covalentes. Luegos los ligandos fueron conectados para formar un gran anillo externo, un macrociclo. Con el tiempo lograron aumentar la robustez de los ligandos y las estructuras de conexión para que resistiera las violentas reacciones desencadenadas por los LTAM. Cuanto más resistente, más útil resultaría el catalizador.

Todos los catalizadores Fe-LTAM creados hasta la fecha se descomponen en una escala de tiempo que varía entre minutos y horas.

Los diminutos activadores LTAM son más fáciles y baratos de fabricar; además, ofrecen una reactividad más versátil que sus homólogos naturales.

Obtención de los LTAM :

1. Se sintetizan las combinaciones de ligandos que mantendrán la integridad del cortafuegos.

2. Se sometió el catalizador a estrés oxidativo hasta que el cortafuegos se desintegró.

3. Luego, se buscó el lugar por donde comenzó la descomposición. (La degradación de los ligandos empieza siempre por la zona de mayor vulnerabilidad).

4. Una vez detectado el punto débil, este fue reemplazado por grupos de átomos más resistentes. Luego vuelve a comenzar el ciclo del diseño.

Tipos de LTAM:

Cada LTAM tiene su propia velocidad de reacción y vida media; ello permite adaptar los catalizadores s las tareas que queremos que lleven a cabo.

● “LTAM cazadores” : Están diseñadas para localizar y pegarse a determinados contaminantes o patógenos.

● “LTAM sopletes” : Queman la mayoría de sustancias oxidables con las que entran en contacto.

● “LTAM selectivos” : Atacan sólo a ciertas partes de la molécula o, de entre un grupo de moléculas, sólo a las más fáciles de oxidar.

Aunque es preciso realizar más pruebas de toxicidad, al día de hoy, los resultados indican que los LTAM descomponen los contaminantes en fragmentos no tóxicos, sin dejar rastros detectables de contaminación.

No conocemos todavía todos los detalles de la actividad de los LTAM; sin embargo, la investigación comienza a arrojar luz sobre las reacciones fundamentales de estas moléculas. En estado sólido, los Fe-LTAM cuentan con una molécula de agua unida, constituida en ligando al átomo de hierro, orientada de forma perpendicular al plano que definen los cuatro nitrógenos; cuando se añade a una disolución, otra molécula de agua se une al extremo opuesto del átomo de hierro. El enlace que une estos ligandos hídricos al metal es débil: si en la disolución hay también peróxido de hidrógeno, una molécula de este compuesto sustituye fácilmente a uno de los ligandos hídricos. Acto seguido, el ligando peróxido se reorganiza. El catalizador se convierte así en un intermedio de reacción (IR)

No se ha determinado todavía el mecanismo por el cual el IR rompe los enlaces de sus moléculas diana. Sin embargo, se sabe que la fuerza de los LTAM puede ajustarse mediante el cambio de los átomos situados en la cabeza y en la cola de la molécula: La introducción de elementos muy electronegativos en esas posiciones aleja aún mayor cantidad de carga negativa del átomo de hierro, aumentando la agresividad del intermedio de reacción.

Hasta la fecha, las pruebas de laboratorio y los ensayos de campo han resultado prometedores; los estudios financiados por la estadounidense Fundación Nacional para la Ciencia demostraron que los Fe-LTAM junto con los peróxidos eliminarían la contaminación procedente de un ataque bioterrorista. Otra de las aplicaciones de potencial importancia consistiría en el desarrollo de un desinfectante barato, constituido por Fe-LTAM y peróxido de hidrógeno, que hiciera frente a los microorganismos acuáticos infecciosos que tantas muertes y enfermedades provocan en el mundo. Por ejemplo, la industria papelera cada año produce alrededor de 100 millones de toneladas métricas de pulpa blanqueada que se transforma en papel blanco, para llevar a cabo este proceso generan compuestos organoclorados nocivos. Muchas fábricas de papel vierten aguas residuales color café que tiñen los arroyos y ríos e impiden el paso de la luz en el agua. La tinción de las aguas se debe a la presencia de grandes fragmentos de lignina coloreados. Después de diversos experimentos, concluyen en que los Fe-LTAM reducen la coloración del agua hasta en un 78% y eliminan el 29% de los compuestos organoclorados.

A pesar del éxito de estas investigaciones, quedan todavía cuestiones pendientes sobre los LTAM. Debemos asegurar que los LTAM no originan alguna forma de contaminación que todavía no haya sido observada.