Los retos de la química en el siglo XXI

Algo sobre futurología

Andoni Garritz y Ronald Breslow

¿De verdad Ronald Breslow es un coautor?

Sol Barer, Roald Hoffmann y Ronald Breslow, recipiendarios de la medalla “Heritage day-2006”.

La mayor parte de los retos de esta presentación fueron dis-cutidos por correo electrónico con Ronald Breslow, quien hacia 1999 los tenía como re-sultado de investigación, lue-go publicada por la National Academy Press: Beyond the Molecular Frontier: Challen-ges for Chemistry and Chemi-cal Engineering, NAP, Wash-ington, D.C., 2003.

Los retos de la química

• El cambio de siglo y de milenio dieron mucho de qué hablar sobre el futuro de las ciencias.

• Recogemos aquí algunas de las opiniones expresadas por otros respecto a lo que se espera que resuelva la química este nuevo siglo.

• No hay ninguna garantía de que cualquiera de estas cuestiones pueda de verdad lograrse en estos cien años, pero están escritas como deseos dignos de alcanzarse.

Retos de la química medicinal

• La química medicinal es una de nuestras ra-mas más exitosas, mediante la cual hemos producido los antibióticos y otros medicamen-tos que han llevado la esperanza de vida de 47 años en 1900 a por encima de los 75 años hoy. Sin embargo, todavía necesitamos agen-tes antivirales efectivos y nuevos antibióticos para enfrentar a las bacterias resistentes.

Retos de la química medicinal

• Necesitamos medicamentos para curar el cán-cer, prevenir los derrames cerebrales, atacar las enfermedades del corazón, el mal de Alz-heimer, la osteoporosis, la obesidad, los defec-tos genéticos, la esquizofrenia, la diabetes, la artritis y otros problemas.

Retos de la química medicinal

• Requerimos mejores maneras de dispensar los medicamentos a sus blancos, incluyendo dispo-sitivos como un páncreas artificial que pueda detectar niveles de glucosa y añadir la cantidad necesaria de insulina.

• Necesitamos materiales biocompatibles para reemplazos de órganos, así como para huesos y dientes artificiales.

Retos de la alimentación

• Necesitamos productos químicos para la ali-mentación que preserven y mejoren nuestras dietas con seguridad incuestionable.

• Requerimos el desarrollo de productos agro-químicos que mejoren aún más el rendimien-to de los cultivos.

Retos de la alimentación

• Necesitamos el desarrollo de variantes genéticas de plantas que presenten resistencia a las plagas, a la es-casez de agua y de nutrientes. No hay duda de que la ingeniería genética jugará un papel en la alimentación de la población mundial en este siglo, aunque su adop-ción se enfrenta a otros retos en el camino, debido al miedo público (sobre todo en Europa) a la manipulación genética. Los organismos genéticamente modificados se encuentran en un periodo crítico actualmente, del cual habremos de salir por medio de la investigación acucio-sa de sus posibles impactos.

Retos sociales

• Los problemas de hambrunas y de mala ali-mentación serán más controlables cuando detengamos el crecimiento de la población. En este punto la química habrá de contribuir con anticonceptivos femeninos y masculinos más eficientes y seguros.

Retos sociales

• Vivir hasta la edad de 120 años no será inusual en este siglo. Tendremos que repensar cómo la vida hu-mana se organiza con cada vez más adultos mayores, cada vez más viejos.

• En 1998 había 66 millones de personas con 80 o más años, una de cada 100 personas. Ese número se mul-tiplicará por seis hacia el año 2050, cuando alcanzará 370 millones de gentes, una de cada 24 personas ten-drá 80 o más años. Hacia 2050, ¡más de 2.2 millones de personas tendrán 100 o más años!

Retos sociales

• Otro reto que habrá que encarar es dar igual-dad de oportunidades en química a las muje-res frente a los hombres.

• Las necesidades de salud, educación, habita-ción, vestido y sustento, transporte y recrea-ción decorosos para una población todavía creciente, seguirá planteando la necesidad de producir mejores alimentos, medicamentos, materiales, telas, automóviles, etcétera.

Retos en materiales

• Requerimos materiales estructurales mejo-rados, probablemente compositos basados en resinas o en cerámicas, que sean esta-bles a altas temperaturas y fácilmente ma-quinados.

• Necesitamos materiales con propiedades eléctricas y ópticas útiles, incluyendo su-perconductores de alta temperatura.

• Precisamos protección superficial que sea de verdad duradera y resistente (una pin-tura que dure 100 años)

Retos en materiales

• La nanotecnología. Debemos estar preparados para preparar y manipular estructuras de dimensiones moleculares, tendiendo hacia la fabricación de com-putadoras de tamaño molecular, monitores realmen-te pequeños, dispositivos fotónicos y electrónicos, nanorresistores y nanocables, así como materiales de verdad resistentes a partir de nanotubos de car-bono.

• Necesitamos entender la química de moléculas grandes, incluyendo biopolímeros, tan bien como comprendemos la química de pequeñas moléculas.

Retos en energía

• Precisamos desarrollar catalizadores selecti-vos, que nos permitan manufacturar productos útiles, incluyendo polímeros, sin producir basu-ra no deseada y sin emplear energía excesiva.

• Necesitamos diseñar baterías baratas que ha-gan verdaderamente prácticos los vehículos eléctricos, baterías que sean fácilmente recar-gables y con alta energía por unidad de peso.

Retos en energía

• Requerimos una manera de almacenar y trans-portar hidrógeno con seguridad, de tal forma que pueda ser utilizado en la celda de combus-tible de un automóvil, produciéndose vapor de agua como producto de la reacción.

• Necesitamos aprender cómo concentrar y ma-nejar las basuras radiactivas de las plantas de energía nuclear.

Retos en energía

• Es previsible que duran-te este siglo la fusión nu-clear controlada se con-vierta en una realidad y que compita y supere a la alternativa de la fisión nuclear. Otra alternativa promisoria la constituye el abaratamiento de la energía eólica y de la fo-tovoltaica.

El reactor nuclear de fusión, previsto de ser construido en Cadarache, Francia, el cual se prevé que funcione hacia 2050.

Retos de la bioquímica

• Una de las áreas que más impulso han tenido has-ta ahora es la que se refiere a la genómica y sus derivaciones. Los genomas de humano, de micro-organismos que afectan al humano, de plantas de importancia agrícola, y otros, han sido secuencia-dos o se encuentran en proceso de secuenciación. El haber secuenciado todo el genoma humano, abrió grandes perspectivas sobre la posibilidad de conocer los genes que intervienen en los procesos de desarrollo normal y patológicos.

Retos de la bioquímica

• Es hora de empezar a aplicar el conoci-miento del genoma humano, para resol-ver problemas de enfermedades genéti-cas mediante la reparación del gen espe-cífico que las causa y, con la ayuda de la química, el diseño de nuevos fármacos hechos a la medida de pacientes indivi-duales y de sus enfermedades.

Retos de la bioquímica

• El estudio de la expresión génica, sea como el transcrip-toma (mensajes derivados de los genes y que se expre-san en una condición fisiológica dada) o como el proteo-ma (proteínas que se sintetizan en una condición fisioló-gica dada) cobrarán cada vez más impulso en los si-guientes años. Una nueva variante, la metabolómica, se concentrará en estudiar los tipos de reacciones metabó-licas y productos sintetizados y acumulados en una con-dición fisiológica dada. Sólo así se podrá tener una ver-dadera integración entre genoma y funcionamiento celu-lar.

Retos de la bioquímica

• Requerimos hacer sistemas químicos organiza-dos que imiten el funcionamiento de las células biológicas o que se desempeñen como máqui-nas diminutas. (La química se está moviendo de ser reduccionista, volviéndose cada vez más integracionista).

Retos de la bioquímica

• Necesitamos aprender por qué las enzimas son tan efectivas, de tal manera que podamos dise-ñar catalizadores biomiméticos artificiales que funcionen tan bien como las mejores enzimas.

• En la ciencia que subyace bajo estos objetivos prácticos, requerimos entender completamente la química de la vida, incluyendo la química del ce-rebro y de la memoria.

Retos de la química ambiental

• Las manufacturas y productos químicos deben ser ambiental y biológicamente benéficos, nunca perjudiciales.

• Requerimos insecticidas que no perjudi-quen a objetivos que no sea nuestra intención afectar, de ninguna manera.

Retos de la química ambiental

• Debemos aprender cómo hacer productos, incluyendo refrigerantes, que sean esta-bles a lo largo de su vida, pero que se de-graden, de manera que no persistan en el ambiente o en los seres vivos.

• Precisamos no cejar en el esfuerzo de re-constituir la capa de ozono en la estratos-fera.

Retos de la química ambiental

• Requerimos atacar el problema del calenta-miento global del planeta, dependiendo me-nos de la energía proveniente de los com-bustibles fósiles.

• El problema del suministro de agua potable a las grandes ciudades es muy grave y se irá poniendo cada día peor. Requerimos dejar de contaminar el agua líquida, así como aprender a descontaminarla en grandes can-tidades, y encontrar formas rentables de de-salinizar el agua de mar.

Retos en cómputo

• Hay que construir transistores a escala molecular, pa-ra encoger las computadoras a la nanoescala.

• Desarrollar métodos computacionales que, de manera realista, predigan las propiedades de compuestos desconocidos, incluyendo los mecanismos por los cuales participarán en reacciones.

• Hacia esta área se orientarán los cursos de fisicoquí-mica del futuro, hacia el modelado y la dinámica mole-cular, así como hacia la visualización de propiedades.

Retos en cómputo

• Requerimos métodos computacionales pa-ra predecir la estructura tridimensional de una proteína a partir de su secuencia de aminoácidos, de tal forma que la informa-ción que da la secuencia del genoma hu-mano pueda ser traducida a las estructu-ras proteicas que están codificadas.

Retos de síntesis

• Precisamos desarrollar métodos sintéticos que nos permitan hacer todas las moléculas importantes con rendimientos razonables y empleando esquemas sintéticos compactos y poca energía, de tal manera que ningún com-puesto útil sea inaccesible para su síntesis práctica. (La química es una ciencia creativa, donde la síntesis de nuevos materiales es una actividad central).

Retos de síntesis

• Requerimos perfeccionar las formas de estu-diar mecanismos de reacción, de tal manera de que observemos directamente el proceso y podamos diseñar catalizadores basados en nuestro conocimiento.

• Necesitamos mejorar nuestras herramientas para determinar estructuras, de forma que no represente un reto la síntesis de pequeñas cantidades de materiales no cristalinos.

Retos de síntesis

• Requerimos un mejor entendimiento de las reacciones que tienen lugar sobre intercaras y sobre superficies, en particular las reaccio-nes catalíticas.

• Es de esperarse que en un futuro cercano se habrán desarrollado ya métodos prácticos para la preparación de cualquier tipo de com-puestos quirales.

Retos de la química interestelar

• Requerimos extender nuestra visión química de cómo la vida pudo surgir espontáneamen-te sobre la Tierra o en cualquier parte.

• Necesitamos entender la química que ocurre en el espacio interplanetario e interestelar, donde la espectroscopía es nuestra herra-mienta principal.

Un final de la futurología

• Estos son algunos de los retos que la química va a encarar durante este siglo. Nuestro campo ha sido sorprendente en su capacidad de resolver proble-mas no más simples ni complejos que éstos. Sin embargo, hay una predicción más acerca del pro-ceso que puede hacerse con absoluta certidumbre: los químicos saldrán con invenciones y descubri-mientos que no están abarcados en una lista deobjetivos como ésta, y diremos: ¿Por qué nunca pensamos en eso?

Produzcamos embajadores

• Tenemos acceso a un gran número de estudiantes en nuestros cursos de

química:

• ¡Hagámoslos embajadores entusiastas de la química!

AGRADECIMIENTOS

• A Ronald Breslow de la Universidad de Columbia en NY, por permitirme analizar con él estos retos desde 1999 y por facilitarme sus acetatos de una conferencia plenaria en la BCCE-2002.

• A Peter Atkins, Norman Greenwood y David Rice, por sus escritos “Comment 2000” en Education in Chemistry.

• A los periodistas Baum y Gwynne por sus artículos en Chemical and Engineering News.

• A Eusebio Juaristi, Lydia Cascarini, Norah Barba, Rosalin-da Contreras, Eduardo Bárzana y Jorge Vázquez por las ideas expresadas sobre el tema.