Stefan W. HELL (Arad, Rumanía, 1962), Eric BETZIG (Ann Arbor, MI, 1960) y William E. MOERNER (Pleasanton, CA, 1953) compartieron el premio Nobel de Química en 2014 “por el desarrollo de la microscopía de fluorescencia de súper resolución”.

Stefan W. HELL, ciudadano alemán nacido en Rumanía, se doctoró en 1990 en la Universidad de Heidelberg. Es director de Química Biofísica en el Instituto Max Planck de Gotinga y jefe de División en el Centro de Investigación del Cáncer en Heidelberg. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “Nanoscopia con luz enfocada”, recordó que con el microscopio óptico no se podía obtener una resolución mejor que la mitad de la longitud de onda de la luz y que, de acuerdo con la ecuación de Abbe, la mejor resolución estaría en los 200 nanómetros, quinientas veces más que el ojo humano. Hell comparó el límite de detección del microscopio óptico con el del microscopio electrónico que es veinte veces menor; no obstante, dijo, en la literatura científica se puede comprobar que se trabaja más con el óptico, aumentando la sensibilidad mediante la unión de las biomoléculas con otras fluorescentes para identificarlas. Pero hay que evitar el agrupamiento de moléculas porque se obtendría una imagen borrosa. Para evitar el borrón, Hell desarrolló la microscopía STED (reducción por cancelación de la emisión estimulada), basada en la evidencia de que el estado fundamental del fluóforo es oscuro, es decir, que para que una molécula emita fluorescencia ha de estar en estado excitado: la emisión estimulada fuerza a las moléculas a su estado fundamental y no son vistas por el detector. En el método se utilizan dos pulsos de láser, uno de estimulación y otro de cancelación con los que se obtiene la señal de fluorescencia de un pequeño volumen del orden de nanómetros: escaneando estos volúmenes se obtiene una imagen muy por debajo del límite de Abbe. Hell mostró dos imágenes del complejo de proteínas de un poro: una hecha con microscopía confocal, un borrón, y otra obtenida con nanoscopia STED en la que se aprecian ocho subunidades moleculares en cada poro. También exhibió la imagen de la cubierta externa formada por proteínas del VIH maduro listo para infectar células próximas, las imágenes de las vesículas sinápticas esféricas de la membrana de los extremos de los axones, y otras varias ¿Dónde está el límite? se preguntaba Hell. Siguieron los métodos GSD y RESOLFT con los que vio filamentos de queratina en células epiteliales vivas de riñón, y otras.

Eric BETZIG se doctoró en 1988 en la Universidad de Cornell, Ítaca, y trabaja en el Howard Hughes Medical Institute. Es líder de grupo en el Janelia Research Campus. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “Moléculas aisladas, células, y óptica de súper resolución”, contó su intento de crear un microscopio óptico con el que ver células vivas; una mala idea, decían, porque contravenía el límite de Abbe y el principio de incertidumbre. Se dedicó a romper la barrera de la difracción en el campo cercano y con sucesivas mejoras consiguió alcanzar los 60 nanómetros de resolución. Exhibió imágenes de células con fluorescencia y las comparó, ventajosamente, con las tomadas en un campo convencional. La fluorescencia era buena porque ofrecía contraste para proteínas específicas, por lo que se marcó como objetivo ver moléculas individuales; pero el campo cercano le resultó demasiado corto ¡Que lo den por el culo!, dijo pensando abandonar. Pero aumentaron el espacio dimensional a 3D para aislar las moléculas y consiguieron todas las coordenadas. Utilizaron las proteínas fluorescentes verdes (GFP) activables por luz UV y visible y crearon la microscopía de localización fotoactivada (PALM) con la que pudieron ver la polimerización en vivo de las actinas, unas proteínas globulares. Como tuvieron problemas con las células recurrieron a la microscopía de iluminación estructurada (SIM), la cual, aunque tiene un límite mayor que la difracción, proporciona mejores imágenes vivas. Betzig mostró imágenes de microtúbulos crecientes, cambios de forma de un protozoo, y otras.

William MOERNER se doctoró en 1982 en la Universidad de Cornell, Ítaca. Es profesor de Química y de Física Aplicada en la Universidad de Stanford, CA. En su lección del Nobel, titulada “Espectroscopia de moléculas aisladas, imágenes, y fotocontrol: Fundamentos de la microscopía de súper resolución”, expuso sus estudios y resultados sobre la detección óptica y espectroscópica de moléculas aisladas mediante la emisión de fluorescencia, trabajando tanto a la temperatura del laboratorio como a baja temperatura, encendiendo y apagando la fluorescencia de la molécula, captando la imagen de una pequeña área muchas veces y superponiendo las imágenes hasta obtener una súper imagen resuelta al nano nivel. (El método es similar al de Betzig, pero ambos trabajaron independientemente). Los fluoróforos (o fluorocromos), de un tamaño aproximado de 1 nanómetro, hacen que una molécula de proteína (por ejemplo GFP) de 3 x 4 nanómetros, absorba energía y la emita a mayor longitud de onda. Moerner y colaboradores obtuvieron imágenes de una proteína bacteriana fusionándola con YFP, una variante amarilla de GFP. También emplearon el método de imágenes en 3D con nuevos fluoróforos. Finalmente, Moerner se refirió al impacto que ha tenido la técnica de espectrometría e imagen de moléculas aisladas en Química: difusión espectral, distorsiones moleculares, estructura de materiales, análisis; en Física: interacciones magnéticas; en Biología: estructuras celulares, comportamiento de membranas; por ejemplo.

Jacques DUBOCHET (Aigle, Suiza, 1942), Joachim FRANK (Siegen, Alemania, 1940) y Richard HENDERSON (Edimburgo, Escocia, 1945) compartieron el premio Nobel de Química en 2017 “por el desarrollo de la crio-microscopía electrónica para la determinación de estructuras en alta resolución de biomoléculas en disolución”.

Jacques DUBOCHET se doctoró en Biofísica en las Universidades de Ginebra y Basilea en 1972, trabajó en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular y es miembro de la Universidad de Lausana. En su alocución del Nobel, presentada con diapositivas y titulada “Crio-microscopía electrónica temprana”, dijo que cuando hizo sus primeras imágenes de moléculas, treinta años atrás, trabajaba con una resolución de 35 angstrom, pero que la reciente revolución de la crio-microscopía electrónica (crioEM) tiene como consecuencia que a 3,5 angstrom los átomos son visibles y podemos ver cómo se sitúan los átomos en las moléculas. Dubochet resaltó la importancia de la preparación de las muestras para el microscopio electrónico: es necesaria, dijo, que el agua sea vítrea, esto es, un sólido amorfo, no cristalino, lo que se consigue enfriando con etano a la temperatura del nitrógeno líquido. Así consiguió imágenes de moléculas biológicas que sirvieron para pasar de la química a la medicina. Con su sentido del humor, confesó que los tres premiados eran biofísicos, científicos que trabajan en biología con el espíritu de un físico, que sin haber sido nunca buenos químicos habían recibido un Nobel de Química, promocionándose, de acuerdo con el principio de Peter, hasta alcanzar su propio nivel de incompetencia; no obstante cree que el premio es un testimonio de la unidad de la ciencia.

Joachim FRANK se doctoró en la Universidad Técnica de Munich en 1970, trabajó en el Howard Hughes y es miembro de la Universidad de Columbia, NY. En su discurso del Nobel, titulado “Reconstrucción de partículas aisladas. Historia de una muestra”, explicó que empleaba temperaturas criogénicas de -135ºC para evitar los cristales de hielo y cortaba rebanadas de la muestra de decenas o centenas de espesor para introducirlas en el alto vacío del microscopio electrónico de transmisión. Las imágenes bidimensionales las reconstruía por simetría helicoidal o icosaédrica y aplicando la transformada de Fourier en tridimensionales. Así consiguió reconstrucciones 3D de partículas aisladas. Por ejemplo: de glutamina sintetasa promediando con computadora; micrografías de la subunidad 40S del ribosoma de células HeLa; de la 50S de la E. Coli; del ARNt actuando como resorte molecular durante la descodificación; del virus de la hepatitis C invadiendo el ribosoma; y otras.

Richard HENDERSON se doctoró en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, en 1969, estuvo de posdoctoral en la Universidad de Yale y volvió en 1973 al Laboratorio de Biología Molecular MRC. Está considerado como un pionero de la crio-microscopía electrónica. En su discurso del Nobel, titulado “De la cristalografía electrónica a la crioEM de partículas aisladas”, exhibió unas diapositivas tan brillantes como las de sus copremiados. Por ejemplo, las que muestran la estructura de la rodopsina bacteriana, realizada con una alta resolución de 3,5 angstrom y construida a partir de setenta imágenes. Las coordenadas facilitadas por la crioEM fueron utilizadas para el emplazamiento de los átomos en la estructura molecular determinada por cristalografía de rayos X. Henderson también mostró imágenes de las estructuras de las enzimas piruvato deshidrogenasa, de 1,6 Mdalton, y beta- galactosidasa, de 450 KDa, así como del complejo mitocondrial de 1900 KDa. Y otras.

Yves CHAUVIN (Menin, Bélgica, 1930 – Tours, Francia, 2015), Richard R. SCHROCK (Berne, IN, 1945) y Robert H. GRUBBS (Possum Trot, KY, 1942) compartieron el premio Nobel de Química en 2005 “por el desarrollo del método de ‘metátesis’ en síntesis orgánica”.

Yves CHAUVIN entró a trabajar en el Instituto Francés del Petróleo en 1960. Allí realizó sus investigaciones y llegó a ser el director. En su lección del Nobel, titulada “Metátesis de olefinas: los primeros días”, se mostró seguidor entusiasta de los descubrimientos de los grandes químicos orgánicos: de la reacción de Banks y Bailey en la que dos moléculas de propeno se transforman, a 90 – 315ºC, en eteno y 2-buteno mediante catálisis heterogénea con M(CO)6/Al2O3; de la catálisis homogénea de Natta con MCl6/AlEt3, donde M es W ó Mo; del catalizador metalocarbeno W(CO)5(COCH3)(CH3) de E.O.Fischer; y otros. Chauvin dimerizó, utilizando catalizadores organometálicos de metales de transición, eteno a 1-buteno, 2CH2=CH2 —-> CH2=CHCH2CH3 , propeno a isohexenos de alto octanaje para gasolinas, y n-butenos a isooctenos, básicos para plastificantes. Inventó el catalizador ‘dimersol’, cloruro de alquilimidazolinio y tricloruro de aluminio que forman un líquido con punto de fusión inferior a la temperatura del laboratorio que disuelve níquel. Chauvin explicó el mecanismo de la metátesis: el metal de transición se coordina a dos dobles enlaces; estos dos dobles enlaces se combinan dando cuatro enlaces en forma de anillo; el catalizador se retira del anillo llevándose parte de la molécula y uniendo el fragmento mediante un doble enlace a lo que queda de molécula formando un nuevo compuesto. Este mecanismo supone un intercambio de posición entre moléculas de alquenos o una unión de fragmentos para sintetizar moléculas más complejas. Es un mecanismo ‘por parejas’ con cambio de parejas (como en el baile, gustaban decir). Finalizando su lección, Chauvin explicó los mecanismos de las reacciones de desproporcionamiento, polimerización y telomerización, y aportó las aplicaciones a procesos industriales con datos numéricos.

Richard SCHROCK se doctoró en 1971 en la Universidad de Harvard y es profesor de Química en el MIT. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “Enlaces múltiples carbono- metal para reacciones de metátesis catalíticas”, recordó a G.Wilkinson y E.O.Fischer, ganadores del premio Nobel de Química en 1973, quienes demostraron que los enlaces en los complejos metal–carbeno (carbono divalente), Ta=CH2, y metal-carbino (enlace triple, carbono monovalente), no eran débiles, pero no conocieron su empleo como catalizadores.                         Para las reacciones de metátesis de alquenos,                                      2RCH=CHR’ <—-> RCH=CHR + R’CH=CHR’ , y también de alquinos, el equipo de Schrock sintetizó complejos de tántalo y tungsteno del tipo Cl3L2Ta=CHt-Bu y Cl2L2O=W=CHt-Bu , con muy diversos ligandos L para diferentes empleos, por ejemplo, derivados del fosfano como PEt3. También sintetizaron complejos con triple enlace tungsteno-carbino, catalizadores rapidísimos en la metátesis de alquinos. Y catalizadores de molibdeno con enlace Mo=N, de fórmula Mo(NAr)(CHt-Bu)(OR)2 , para la polimerización por metátesis de olefinas cíclicas mediante la rotura del anillo. Schrock puso múltiples ejemplos de síntesis, incluso de enantiómeros puros, de complicadas moléculas de aminas, lactonas y furanos.

Robert GRUBBS se doctoró en 1968 en la Universidad de Columbia, NY, y es profesor en el Caltech. En su lección del Nobel, titulada “Catalizadores de metátesis de olefinas para la preparación de moléculas y materiales”, después de citar la reacción de Banks y Bailey dijo que la metátesis ha llegado a ser una herramienta indispensable en la síntesis de olefinas. Puso como ejemplo de reacción catalizada por un complejo organometálico de transición la ruptura de una molécula de 1,7-octadieno en ciclohexeno y eteno, ejemplo con el que confirmó el mecanismo enunciado por Chauvin. Grubbs sintetizó catalizadores de rutenio de fórmula (Cl)2(D)2Ru=CHR , donde D es un donante de electrones, para preparar grandes cantidades de material polimérico, un record histórico de actividad catalítica, dijo. La primera generación de estos catalizadores, cuya fórmula es (PCy3)2(Cl)2Ru=CHPh , donde Ph es fenilo y PCy3 triclorohexilfosfano, reaccionó con alquenos de muy variados sustituyentes y se mostró compatible con muchos disolventes. En la que llamaron segunda generación sustituyeron un PCy3 por                                 1,3-bis (3,4,6-trimetilfenil dihidroimidazolina) para que reaccionara con dobles enlaces deficientes de electrones, y en los catalizadores de tercera generación introdujeron piridina como ligando. Grubbs mencionó que sus catalizadores habían sido dedicados a la producción de medicamentos para la hepatitis C y la osteoporosis, y para la síntesis de productos naturales de moléculas grandes. En general, la metátesis proporciona reacciones realizables a temperatura y presión normales, más eficientes, con menos etapas, menos recursos y disolventes y residuos menos agresivos. Es una aproximación a la llamada ‘química verde’.

Richard F. HECK (Sprinfield, MA, 1931 – Manila, 2015), Ei-ich NEGISHI (Changchun, China, 1935) y Akira SUSUKI (Mukawa, Japón, 1930) compartieron el premio Nobel de Química en 2010 “por los acoplamientos cruzados catalizados por paladio en síntesis orgánica”.

Richard HECK se doctoró en 1954 en la Universidad de California, Los Ángeles, y fue profesor en las Universidades de Delaware y Manila. En su lección del Nobel no ofreció texto, solamente dispositivas. En ellas, empezó exhibiendo la reacción:               C6H5PdOAc + CH2=CHCH3 —-> C6H5CH=CHCH3 + HPdOAc , indicando que también se obtenían C6H5CH2CH=CH2 y CH2=C(CH3)C6H5. Parece ser que Heck fue el primero en emplear compuestos de paladio como catalizadores. Concretamente, el acetato de paladio, Pd(OAc)2 , lo empleó en la llamada ‘reacción de Heck’, que acopla haluros de alquilo con alquenos: C6H5I + C6H5CH=CH2 —-> C6H5CH=CHC6H5 + HI . La reacción se desarrolla en medio básico. Después fue utilizada, entre otras, para la obtención del AINE naproxeno. Dicen que también fue el primero en caracterizar por completo los complejos metal-alilo y en elucidar el mecanismo de la hidroformilación de alquenos, el proceso industrial para la producción de aldehídos a partir de alquenos.

Ei-ichi NEGISHI, ciudadano japonés nacido en China, se doctoró en 1963 en la Universidad de Pensilvania y es profesor de Química en la Universidad de Perdue, IN. En su lección del Nobel, titulada “El poder mágico de los metales de transición: pasado, presente y futuro”, recordó haber realizado reacciones de acoplamiento entre compuestos orgánicos de zinc y haluros orgánicos empleando catalizadores de níquel o paladio: RM + R’X —-> R-R’ + M-X , (donde M es preferiblemente Zn por su moderada electronegatividad). También reportó que los compuestos de Al y Zr podían realizar reacciones de acoplamiento y que él había empleado Zr(C5H5)2 (ahora conocido como el ‘reactivo de Negishi’). Expuso rutas para la síntesis de alquenos: el proceso ZMA, metilaluminación catalizada por zirconio, y el proceso ZACA, carboaluminación asimétrica de alquenos catalizada por zirconio:

RCH=CH2 + EtMgBr —-> RCH(Et)CH2MgBr catalizada por Cl2ZrCp2 (dicloruro de bis-ciclopentadienil zirconio(IV)),

que es un método eficaz y selectivo para la formación de compuestos asimétricos. Con este procedimiento se han sintetizado totalmente la vitaminas E y K, el precursor fitol y la feromona, además de muchos fragmentos moleculares necesarios para la obtención de otros compuestos. Negishi hizo una amplia exposición sobre la ‘magia’ de los metales de transición del bloque d. Es debida a su disponibilidad de orbitales moleculares no enlazados llenos y vacíos (HOMO y LUMO) que pueden ser sustituidos con orbitales sigma para la metalación e hidrometalación.

Akira SUSUKI se doctoró en 1959 en la Universidad de Hokkaido, Sapporo, Japón, donde es profesor emérito. En su lección del Nobel, titulada “Reacciones de acoplamiento de organoboranos: un método sencillo para enlazar átomos de carbono”, explicó cómo se producía el acoplamiento de los haluros o los triflatos (trifluormetano sulfonatos) con los organoboranos (derivados del BH3) en presencia de una base y paladio catalizador. La reacción (llamada ahora de Susuki) R-BY2 + R’X —-> R-R’ , en la que Y es un radical ciclohexilo o siamilo, se utilizaba para la síntesis de poliolefinas, estirenos y bifenilos sustituidos. El autor desarrolló los pasos sucesivos del mecanismo de la reacción. En primer lugar se produce la adición oxidativa del paladio al haluro:                                       Pd(0) + R’-X —-> R’-Pd(II)-X , con formación del organopaladio. Después ocurre la formación del producto intermedio por reacción con la base y la transmetalación, esto es, la transferencia del radical R desde el organoboro al complejo, formándose                 R’-Pd(II)-R . El paso final es la eliminación reductiva: R’-Pd(II)-R —-> R’-R + Pd(0). La reacción, dijo Susuki, es suave, admite reactivos baratos y sencillos de preparar, los subproductos inorgánicos que genera son de fácil eliminación y el disolvente puede ser agua. Con este tipo de reacciones se ha preparado un medicamento anti hipertensión, un receptor antagonista, un producto agroquímico y materiales poliméricos, dijo al final de su lección.

Venkatraman RAMAKRISHRNAN (India, 1952), Thomas A. STEITZ (Milwaukee, WI, 1940 – 2018) y Ada E. YONATH (Jerusalén, 1939) compartieron el premio Nobel de Química en 2009 “por los estudios sobre la estructura y función del ribosoma”.

V. RAMAKRISHNAN se doctoró en Física en la Universidad de Ohio en 1976. Actualmente está en el MCR Laboratorio de Biología Molecular de Cambrige, Inglaterra, y es presidente electo de la Royal Society. En su lección del Nobel, titulada ”Desenredando la estructura del ribosoma”, recordó que los ribosomas trasladan el código del ADN a la vida, ya que producen proteínas (hemoglobina, anticuerpos, hormonas, enzimas, colágeno,…) que, a su vez, controlan la química de todos los organismos vivos. Son complejos macromoleculares de proteínas y ARN con estructura globular sin membrana. Los ribosomas bacterianos tienen un coeficiente de sedimentación de 70 unidades de Svedberg (70S) y se disocian reversiblemente en dos subunidades de 30S y 50S. Los ribosomas eucariotas, 80S, se disocian en 40S y 60S. Las subunidades pequeñas unen el codón del ARN mensajero y el anticodón del ARN de transferencia, y las subunidades grandes contienen el PTC (peptidil transferasa center) donde tiene lugar la catálisis de la formación del enlace peptídico. Ramakrishnan y su equipo lograron cristalizar la subunidad 30S de la bacteria ‘Thermus thermophilus’. Mediante cristalografía de rayos X, empleando racimos de átomos pesados (W y Ta) y aplicando la transformada de Fourier, obtuvieron, con 3 angstrom de resolución, la estructura de la 30S con las 21 proteínas y el ARN de que está formada. El conocimiento de la estructura permitió estudiar los sitios de enlace de los antibióticos estreptomicina, espectinomicina, paromomicina, tetraciclina, pactamicina e higromicina B. Por ejemplo, la estreptomicina inhibe la lectura del ARNm y la tetraciclina inhibe el enlace del ARNt. En el futuro, dijo Ramakrishnan, se incrementará el estudio de la síntesis de proteínas tanto en los ribosomas de las células eucariotas como en las mitocondrias, que son los centros energéticos, los orgánulos dotados de membrana donde se produce la fosforilación oxidativa.

Thomas STEITZ se doctoró en Bioquímica en la Universidad de Harvard en 1966. Es profesor e investigador de Biofísica Molecular y Bioquímica en el Howard Hughes Medical Institute, Yale University. En su lección del Nobel, titulada “De la estructura y función de los ribosomas a los nuevos antibióticos”, informó que había seguido el método de Perutz consistente en el reemplazamiento de un átomo pesado para resolver el problema de las fases en la determinación, por cristalografía de rayos X, de la estructura de las macromoléculas. Pero como un átomo es poco para tantos átomos del ribosoma, empleó un compuesto racimo con 18 átomos de tungsteno. Así obtuvo, con una resolución de 2,4 angstrom, un modelo en tres dimensiones de la subunidad 50S de las células procariotas, con los dos ARN ribosómicos formados por una sola cadena de nucleótidos. Afirmó que el ribosoma es un ribozima, esto es, un ARN enzima con actividad catalítica y, también, que la formación del enlace peptídico es la etapa catalizada del proceso de la síntesis de proteínas. La mayoría de los antibióticos, dijo Steitz, atacan a la subunidad grande, la 50S, para inhibirla. Estudió siete antibióticos que se enlazaban en lugares diferentes pero siempre próximos al PTC. Finalmente, contó que entre varios y él crearon una empresa farmacéutica para producir antibióticos híbridos sintetizados por combinación de otros conocidos.

Ada YONATH se doctoró en cristalografía de rayos X en 1968 en el Weizman Institute de Israel, donde es profesora de Biología Estructural. En su lección del Nobel, titulada “Osos hibernando, antibióticos y el ribosoma evolucionando”, recordó cifras mareantes: un humano adulto tiene unos 100 trillones de células; en las células eucariotas hay más de 7000 tipos diferentes de proteínas; las proteínas se degradan constantemente, por lo que deben producirse al mismo ritmo; una célula bacteriana tiene alrededor de 100000 ribosomas. Los ribosomas, donde se produce la traslación de código genético a proteínas, son conjuntos gigantes de ARNr y proteínas en una relación que se mantiene a través de la evolución. Actúan como polimerasas, sintetizando proteínas por adición de aminoácidos, uno a uno, que forman una cadena de péptidos a lo largo de la plantilla del ARNm a la velocidad de 20 enlaces por segundo. Mientras se produce la elongación de la cadena cooperan las dos subunidades del ribosoma y se activa el túnel de salida de las proteínas nacientes. Ada Yonath habló de las dificultades que tuvieron para cristalizar el ribosoma bacteriano (los ribosomas activos son como osos saliendo del letargo, dijo). Una vez conseguidos los cristales, probaron que los ribosomas son ribozimas cuyos lugares activos, donde se forman los enlaces peptídicos, están situados dentro de una región simétrica universal que está empotrada en otra estructura ribosómica asimétrica. El PTC (peptidil transferasa center) está situado en el centro de la región simétrica entre dos zonas en las que empieza y prosigue la traducción. Posee un movimiento de rotación para acomodarse a las necesidades de la reacción de intercambio. El centro ribosómico es un vestigio optimizado del proto-ribosoma, una entidad antigua consistente sólo en ARN capaz de formar enlaces peptídicos, cuya complejidad aumentó para hospedar a los ARNt. La profesora Yonath también trató de las estrategias que emplean los antibióticos para marcar ARNr. El mero enlace no es la causa de su efectividad terapéutica. Ejercen su actividad inhibitoria compitiendo, interfiriendo, inmovilizando, descodificando, evitando la progresión del ARNm y bloqueando el túnel de salida. Hasta la fecha, dijo, se han investigado más de dos docenas de antibióticos y la mayoría tiene alta relevancia terapéutica, habiéndose encontrado su mecanismo de acción; pero el tema no se ha acabado, ni mucho menos.

Peter AGRE (Northfield, MN, 1949) y Roderick MacKINNON (Boston, 1956) compartieron el premio Nobel de Química en 2003 “por el descubrimiento de los canales de agua” y “por los estudios estructurales y mecánicos de los canales iónicos”, respectivamente.

Peter AGRE se doctoró en 1974 en Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, y es profesor de Química Biológica y Medicina en la misma universidad. En su lección del Nobel, titulada “Acuaporinas, canales de agua”, destacó que los vertebrados, invertebrados, microbios y plantas están constituidos, sobre todo, por agua. Los humanos tenemos un 70% de agua salada. Las proteínas llamadas acuaporinas (de agua y poro) sirven de paso en las células del fluido espinal, lágrimas, saliva, sudor, bilis y orina. Desde 1920 se sabe que el agua debe difundirse a través de la doble capa de lípidos que constituye la membrana celular. Las acuaporinas (AQP), que fueron sugeridas hace años por seis científicos americanos y europeos, tienen ubicado un tetrámero en la membrana, cada uno con un poro delimitado por hélices alfa. El agua pasa en fila de a uno por los poros, pero no los iones hidronio. Si los riñones readsorbiesen H2O Y H3O+ sufriríamos acidosis sistémica (readsorben el 99% del agua de la orina, evitando la deshidratación). Al paso de los iones hidronio por los poros se opone la repulsión electrostática de un residuo de arginina y dos residuos de asparagina. El agua se mueve por gradientes osmóticos, por lo que las AQP no son bombas ni intercambiadores, son simplemente poros que permiten el paso del agua a través de la membrana celular por ósmosis. Actualmente se conoce la ubicación de varias acuaporinas transportadoras de agua diferentes: la AQP0 está expresada en las células fibrosas del cristalino; de la AQP1 hay unas 200 000 por célula roja; la AQP2 se encuentra en los túbulos colectores del riñón; y otras. Además, existen las acuagliceroporinas, como la AQP9, que también es permeable al glicerol. Peter Agre también habló de los múltiples desórdenes que pueden ocasionar el mal funcionamiento de las AQP: diabetes insípida nefrogénica, edema cerebral, golpe de calor, pérdida de visión y otros. Y terminó su lección citando a Ramón y Cajal, padre de la neurociencia: “No hay problemas pequeños, son grandes problemas que no han sido entendidos”. La permeación de las membranas celulares no es, en este sentido, un pequeño problema, dijo.

Roderick MacKINNON se doctoró en Medicina en 1982 en Tufts Medical School, Boston. Es profesor de Neurobiología y Biofísica en la Universidad Rockefeller, Nueva York. En su lección del Nobel, titulada “Canales de potasio y bases atómicas de la conducción selectiva de iones”, explicó que los iones tienden a estar en el agua y no en los lípidos de los 40 angstrom de espesor de la membrana celular, pero como las señales eléctricas en las neuronas depende del flujo de iones a través de la membrana, estos deben atravesarla. Existen, dijo, canales iónicos con tres propiedades: conducen los iones rápidamente; muchos de ellos son selectivos, admitiendo unas especies y excluyendo otras; están regulados de modo que los poros se abren o cierran según la señal química enviada por una célula adyacente, propagándose un pulso eléctrico en milisegundos. Hodgkin y Keynes midieron el paso en fila india de los iones potasio radiactivo, pero ahora se analizan las secuencias de aminoácidos que expresan canales iónicos. En el canal Shaker K+ de la ‘drosophila melanogaster’ se encontraron los tetrámeros, en los que cuatro subunidades encerraban un poro central. El primer canal iónico caracterizado por cristalografía de rayos X fue el canal K+ de una bacteria procariota. Además, se comprobó que la secuencia de aminoácidos en los canales K+ se mantiene desde las bacterias hasta las células eucariotas humanas. MacKinnon y su equipo explicaron cómo los poros K+ rechazaban los iones sodio y permeaban los iones potasio distinguiéndolos por el tamaño: los Na+ son más pequeños. Asimismo, investigaron los canales de iones cloro, también abundantes en las procariotas. Encontraron que las proteínas de estos canales no se relacionan con las de los K+, pero tienen aspectos similares: mientras en estos la carga negativa del carbonilo terminal apunta al K+, en aquellos la carga positiva de la amida terminal apunta al Cl-. Al final de su lección, MacKinnon se mostró optimista sobre el futuro de las investigaciones. En efecto, se han descrito canales de Na+ y Ca2+ , se han encontrado mecanismos de apertura y cierre por voltaje, ligandos y medios mecánicos, se ha estudiado la acción de las toxinas sobre los canales y se han relacionado enfermedades y mal funcionamiento.

Robert J. LEFKOWITZ (Nueva York, 1943) y Brian K. KOBILKA (Little Falls, MN, 1955) compartieron el premio Nobel de Química en 20012 “por sus estudios sobre los receptores acoplados a proteínas G”.

Robert LEFKOWITZ se doctoró en Medicina en 1966 en la Universidad de Columbia, NY. Es investigador del Howard Hughes Medical Institute y profesor de Bioquímica en Duke University Medical Center, Durham, NC. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “Breve historia de los receptores acoplados a proteínas G”, afirmó que los RCPG, con siete dominios hidrofóbicos incluidos en la membrana celular y con más de mil genes, constituyen la más versátil de las familias de receptores de membrana. En general, los receptores detectan los reactivos y estímulos del entorno de la célula y obligan a esta a actuar en consecuencia, alterando su función. Antes del descubrimiento de los receptores se suponía que las superficies celulares disponían de una especie de receptáculo para las hormonas como la adrenalina, que tan poderoso efecto tenían sobre el comportamiento celular, pero se ignoraba en qué consistían y cómo actuaban. Lefkowitz comenzó trabajando con los receptores adrenérgicos beta (y después alfa), comprobando que había agonistas, que se combinaban con el receptor celular y provocaban una acción, y antagonistas, que la bloqueaban. Sugirió que el modulador de los nucleótidos en la afinidad del agonista por el receptor era la proteína G (fijadora de nucleótido de guanina). Para el aislamiento y purificación de los cuatro receptores adrenérgicos (dos alfa y dos beta) emplearon cromatografía de afinidad con matrices de poliacrilamida: eran glicoproteínas de 60 000 a 65 000 dalton de masa molar que dependían del nucleótido guanosin trifosfato (GTP) para su activación. Kobilka, dijo Lefkowitz, clonó el gen del genoma humano que codifica el receptor adrenérgico beta 2. Cuando analizaron el gen, descubrieron que el receptor era similar al del ojo que capta la luz y se percataron de que había una familia de receptores que funcionaban de la misma manera. Después del beta 2, cuya estructura molecular se determinó por cristalografía de rayos X, se clonaron los otros miembros (hasta siete) de la familia de receptores. También se observaron receptores con mutaciones intramoleculares, activos aun en ausencia de ligando, que podrían originar enfermedades humanas.

Brian KOBILKA se doctoró en 1981 en Medicina en la Universidad de Yale, New Haven, CT, y es profesor de la Universidad de Stanford. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “La base estructural de la señalización de los RCPGs”, recordó que los seres vivos, constituidos por billones de células que interaccionan, deben existir gracias a una homeostasis, esto es, a un proceso de autorregulación, tanto a nivel celular como pluricelular, que conduzca al equilibrio interno del organismo. Para lograrlo, cada célula posee sensores sutilísimos que detectan el entorno y procesan la información codificada de los mensajes químicos. Son los RCPGs, localizados en la membrana, que comunican la célula con el exterior. En el genoma humano hay unos ochocientos que responden a fotones, protones, iones calcio y pequeñas moléculas orgánicas, es decir, a la luz, sabor, olor, adrenalina, histamina, dopamina y serotonina. Los RCPGs detectan la presencia de un agonista extracelular, transmiten la información a través de la membrana plasmática y activan la proteína G heterotrimétrica del citoplasma que conduce a la modulación de las proteínas efectoras. Kobilka se explayó en la explicación de los procesos de sensibilización y desensibilización, que incluyen múltiples caminos. Por ejemplo, la fosforilación del receptor, la internalización en los endosomas mediante las arrestinas, la degradación de los lisosomas, la eficiencia del ligando y otros procesos más complejos. Los agonistas completos, dijo, proporcionan la máxima estimulación, pero un agonista parcial puede tener eficacias relativas hacia caminos diferentes. Terminó afirmando que los RCPGs representan, por estar ceca de todos los procesos fisiológicos, el mayor grupo de dianas para el descubrimiento de medicamentos.

Osamu SHIMOMURA (Kioto, 1928 – Nagasaki, 2018), Martin CHALFIE (Chicago, 1949) y Roger Y. TSIEN (Nueva York, 1952 – Eugene, OR, 2016) compartieron el premio Nobel de Química en 2008 “por el descubrimiento y desarrollo de la proteína fluorescente verde GFP”.

Osamu SHIMOMURA se doctoró en Química Orgánica en 1960 en la Universidad de Nagoya. Durante varios veranos trabajó en el laboratorio Friday Harbor de la Universidad de Washington. Fue profesor emérito de la Universidad de Boston. En su disertación del Nobel, titulada “Descubrimiento de la GFP”, recordó que trabajando en Nagoya con el profesor Hirata purificó por cristalización la luciferina de la ostracoda, un crustáceo de tamaño minúsculo. (La luciferina, en presencia de luciferasa y oxígeno se transforma en oxiluciferina y emite luz). Después, en EEUU, hacia 1961, le ofrecieron estudiar la bioluminiscencia de la medusa Aequorea Victoria. La pescó en las corrientes de la costa oeste de Norteamérica y observó que los iones calcio activaban la luminiscencia. Por tratamiento en disolución de sales y EDTA (ácido etiléndiamino tetracético) obtuvo, con 10 000 medusas, unos pocos miligramos de proteína fluorescente. Esta fue la primera fotoproteína descubierta, aequorina, que emitía luz azul en presencia de trazas de iones calcio; pero también obtuvo GFP, que emitía una fluorescencia verde brillante. Más tarde comprobó que la luz azul de la aequorina se transfiere a la GFP y esta trasmite en verde. En 1979, Shimomura y su equipo extrajeron el compuesto fluorescente, el cromóforo, al que llamaron AF-350 porque daba el máximo de absorción a 350 nm. De 100 mg de GFP obtuvieron, tras la extracción y la purificación, 0,1 mg del cromóforo. Era la celenteramida, cuya estructura contenía, como la oxiluciferina, una pirazina sustituida. Formaba una parte de la larga molécula de GFP. Shimomura, al final de su conferencia, aludió a los trabajos realizados en 1994 por Chalfie y Tsien sobre la expresión del GFP en los organismos vivos.

Martin CHALFIE, guitarrista y nadador, se doctoró en Fisiología en la Universidad de Harvard en 1977 y es profesor de Ciencias Biológicas en la Universidad de Columbia, NY, desde 1982. En su discurso del Nobel, titulado “GFP: vida luminosa” (y alegre), dijo haber hecho la tesis con R.Perlman y haber realizado trabajos con S.Brenner, J.Sulston, R.Horvitz y el gusano transparente ‘C.Elegans’ (todos famosos). Coloreó seis células individuales del gusano con ayuda del GFP. Para lograr la expresión de la proteína en el gusano, esto es, para poner GFP en él, utilizó tres métodos: anticuerpos específicos marcados; un gen de la bacteria ‘E.Coli’; hibridación ‘in situ’ del ARNm. Empleando para la clonación ADNc (c de complementario) logró que los espectros de emisión de los GFP recombinante y nativo fuesen coincidentes. Luego se demostró la utilidad del GFP como marcador biológico tanto para la expresión de los genes como para la ubicación de la proteína. Esta era heredable, su visualización no era invasiva y no interfería con otros procesos biológicos. Chalfie mismo empleó las células marcadas con GFP para detectar ubicaciones y mutaciones de diversas clases. También se encontró con dificultades, como la rotura en dos del GFP, que fue capaz de subsanar uniendo las partes con péptidos. Chalfie dijo que Roger Tsien mejoró las propiedades del GFP para que fuese útil en más experimentos: ambos hicieron que brillasen plantas, insectos, peces, ratones y conejos. Y terminó su alocución diciendo que todas las investigaciones con proteínas brillantes están o deben estar dirigidas al estudio de las enfermedades humanas, aunque quién sabe lo que sucederá en el futuro.

Roger TSIEN, estadounidense de origen chino, hijo de un ingeniero de éxito, estudiante muy brillante que fue premiado por sus trabajos en el laboratorio casero, se doctoró en Fisiología en 1977 en la Universidad de Cambridge, UK, trabajó en el Howard Hughes Medical Institute y fue profesor en la Universidad de California, San Diego, desde 1989. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “Construyendo y explotando la caja de pinturas de las proteínas fluorescentes”, dijo que inició su trabajo con los datos y muestras que le pasó el doctor D.C.Prasher, que no podía seguir la investigación por falta de subvenciones, sobre la clonación del gen que codifica GFP y sobre la estructura del cromóforo. Tsien y su equipo consiguieron proteínas fluorescentes mutantes sustituyendo, al principio al azar, un aminoácido por otro. Los cuatro colores expresados en la bacteria ‘E.Coli’ fueron azul, cian, verde y amarillo. Después investigaron la transferencia de energía de resonancia de fluorescencia (FRET) entre mutantes GFP y facilitaron las muestras para la elucidación de la estructura cristalina, por rayos X, de la proteína S65T GFP. Era un cilindro casi perfecto constituido por once hebras beta que rodeaban una hélice situada en el eje central en la que estaba instalado el cromóforo, cuya estructura también fue conocida. Como consecuencia de sus trabajos, Tsien exhibió un panel con quince proteínas fluorescentes derivadas de Aequorea GFP o de Discosoma RFP (coral rojo, que difiere del GFP en un doble enlace extra que aumenta la conjugación) expresadas en bacterias y purificadas. Todas presentaban fluorescencia excitada a longitudes de onda diferentes y todas tenían colores propios. Tsien finalizó su discurso tratando algunas aplicaciones de los colores fluorescentes codificados genéticamente. Dijo que pueden hacer directamente visibles muchos procesos bioquímicos dentro de las células y los organismos. Por ejemplo, marcando con GFP el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) se puede seguir su transmisión de célula a célula a través de ‘sinapsis víricas’ sin exponerse a la neutralización por anticuerpos. También mostró imágenes espectaculares de la división de células, con mitosis en verde e interfases en rojo, así como el progreso del ciclo celular ‘in vivo’ de tumores benignos y malignos.

Irwin ROSE (Brooklyn, NY, 1926 – Deerfield, MA, 2015), Aaron CIECHANOVER (Haifa, Israel, 1947) y Avram HERSHKO (Karcag, Hungría, 1937) compartieron el premio Nobel de Química en 2004 “por el descubrimiento de la degradación de las proteínas mediante la ubiquitina”-

Irwin ROSE se doctoró en la Universidad de Chicago en 1952, colaboró en el Fox Chase Cancer Center desde 1963 y fue profesor de Biofísica en la Universidad de California, Irvine. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “Ubiquitina en Fox Chase”, contó que se interesó por la rotura de proteínas cuando estaba en Yale, pero que prestó más atención al problema en el Instituto de Investigación del Cáncer Fox Chase, Filadelfia, y después, en 1972, durante un año sabático en Oxford y Jerusalén, donde conoció a Hershko, quien en 1975 fue a EEUU con su estudiante A.Ciechanover. A partir de 1979, Rose instituyó unas reuniones veraniegas en Fox Chase (la caza del zorro) para trabajar en el tema de la degradación de proteínas, a las que asistían los dos anteriores y A.Haas, K.Wilkinson y varios más. Los israelíes Avram y Aaron descubrieron un factor al que llamaron APF-1, que después fue identificado con la ubiquitina, y la enzima activadora E1. Rose y Haas establecieron la secuencia cíclica de la degradación de proteínas a través de un mecanismo molecular, introduciendo la formación de un complejo entre E1, ATP y ubiquitina. Rose, en su discurso del Nobel, expuso problemas no resueltos, como es la formación y separación de las cadenas de poliubiquitina.

Aaron CIECHANOVER, de familia polaca inmigrante en Israel, estudió medicina y se doctoró en 1981 en el Instituto de Tecnología de Israel, llamado Technion, donde trabajó con Hersko. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “Degradación intracelular de proteínas: una vaga idea a través del lisosoma y del sistema ubiquitina – proteosoma, y sobre las enfermedades humanas y el etiquetado de drogas”, afirmó que la proteólisis no tiene lugar sólo en los lisosomas. Estos son orgánulos con membrana descubiertos por C. de Duve (premio Nobel de Medicina o Fisiología en 1974) que se encargan de la digestión tanto de proteínas como de lípidos y carbohidratos por medio de enzimas, generalmente hidrolíticas, mantenidas a pH débilmente ácido. Con respecto a las proteínas, dijo Ciechanover, los lisosomas están involucrados principalmente en etiquetar las proteínas extracelulares, pero con respecto a la degradación de las proteínas intracelulares su participación es dudosa porque en este caso la proteólisis necesita energía. Esta función puede realizarla el sistema ubiquitina – proteosoma (UP). Ciechanover dijo que múltiples moléculas de ubiquitina se unen al sustrato proteolítico, probablemente señalándolo para su degradación. Y que el proteosoma es una gran proteína multicatalítica (compuesta por dos subcomplejos) que degrada a pequeños péptidos las proteínas marcadas con poliubiquitina. En el sistema proteolítico UP, la ubiquitina es activada por la enzima E1 y transferida a las E2 yE3 para, por conjugaciones sucesivas, generar la poliubiquitina que sirve de señal de degradación. Ciechanover, al final de su discurso, señaló que las aberraciones en el sistema UP, como la disminución de la degradación debida a la mutación de una enzima o al fallo en el reconocimiento del sustrato, producen enfermedades humanas. Ya está en el mercado, dijo, un inhibidor de aberraciones, una droga, que se emplea para tratar el cáncer.

Avram HERSHKO estudió medicina y se doctoró en la Universidad Hebrea de Israel en 1969. Después fue profesor en el Technion. En su discurso del Nobel, titulado “El sistema ubiquitina para la degradación de proteínas y algunos de sus papeles en el control del ciclo de división de la célula”, dijo que se había prestado mucha atención a la síntesis de las proteínas por el ADN y poca a su degradación rápida a aminoácidos. Él, durante una estancia post doctoral en la Universidad de California, San Francisco, se interesó en la degradación de la enzima tirosina aminotransferasa (TAT), un proceso regulador del nivel de la enzima que, sorprendentemente, necesitaba energía ¿Se trataba de un proceso proteolítico desconocido? Siguió profundizando en el tema en el Technion de Israel. Trabajó con él Ciechanover y se mantuvo en contacto con Rose. De los reticulocitos, glóbulos rojos sin completar su madurez, obtuvieron una proteína que llamaron APF-1 (ATP dependiente factor 1), y que K.Wilkinson y colaboradores identificaron con la ubiquitina. El sistema de degradación expuesto por Hershko en su ‘lectura’ es idéntico a lo que mostraron Rose y Ciechanover: la ubiquitina es activada por tres enzimas; múltiples moléculas de ubiquitina se ligan a la proteína sustrato; en el proteosoma se procede a la degradación; se libera ubiquitina reutilizable; antes y después de la degradación hay formación de poliubiquitina. Pero Hershko hizo hincapié en que la energía necesaria para la degradación la proporciona el ATP al transformarse en ADP + Pi. Hershko finalizó su alocución diciendo que la degradación de proteínas en la que la ubiquitina actúa con intermediaria está implícita en diversos procesos celulares: control de la división celular, regulación de la transcripción, respuestas inmunes e inflamatorias, desarrollo embrionario, apoptosis, relojes circadianos y otras. Su mal función genera enfermedades.

Ahmed H. ZEWAIL (Damanhur, Egipto, 1946 – Pasadena, CA, 2016) recibió el premio Nobel de Química en 1999 “por sus estudios de los estados de transición en las reacciones químicas empleando espectroscopia de femtosegundos”. Estudió en la Universidad de Alejandría y se doctoró en la Universidad de Pensilvania en 1974. Tras dos años en la Universidad de California, Berkeley, pasó al Caltech donde tuvo, desde 1990, la cátedra Linus Pauling de Química Física. Su ‘lectura’ del Nobel, titulada “Fotoquímica. Dinámica del enlace químico en escala atómica empleando láseres ultrarrápidos”, consistió en un libro de noventa y cinco páginas. Presentó un esquema del aparato con el que nació una nueva ciencia: la femtoquímica, que estudia las reacciones químicas en la escala de tiempo en las que tienen lugar en la realidad, esto es, conseguir ‘ver’ cómo se rompen y se generan los enlaces. Para que tenga lugar una reacción química, los átomos y moléculas tienen que adquirir energía suficiente para rebasar la barrera de energía potencial, luego reaccionan en femtosegundos ¡y un femtosegundo (fs) es una milbillonésima de segundo! Las reacciones ‘lentas’ adquieren despacio la energía suficiente, pero el hecho de la reacción, el paso por el estado de transición, es igual de rápido, del orden de las vibraciones moleculares. En el aparato de Zewail y colaboradores un haz molecular de las sustancias atraviesa una cámara de vacío en la que reciben dos pulsos de láser: uno que excita las moléculas a un mayor estado energético y otro, con una longitud de onda escogida, que examina el estado energético de las moléculas. Modificando el intervalo de tiempo entre pulsos mediante espejos que varíen las trayectorias de los rayos, se pueden detectar la velocidad y el modo en que se transforman las estructuras de las moléculas. Los resultados de los espectros se comparan con los cálculos químico cuánticos. Los primeros ensayos del equipo de Zewail los realizaron con el cianuro de iodo y el ioduro de sodio, con los resultados:                ICN* —> I···CN* —> I + CN (en 200 fs) ; el NaI pasa de covalente a iónico cuando la distancia interatómica es de 6,9 angstrom. También estudiaron reacciones como              H + CO2 —> OH + CO , que pasa a través del producto intermedio HOCO en 1000 fs. La femtoquímica se ha desarrollado: ahora se emplea en química orgánica y bioquímica, en química inorgánica y atmosférica, en fases condensadas y mesoscópicas, en procesos en las superficies (catálisis heterogénea), en el desarrollo de nuevos materiales poliméricos para su uso en electrónica y en sistemas biológicos. Ahora ya no se habla, dijo Zewail, de ‘activación’ y de ‘estado de transición’ en las reacciones, sino de movimientos de átomos, que ya no son invisibles. Una revolución.

Gerhard ERTL (Bad Caanstadt, Alemania, 1936) recibió el premio Nobel de Química en 2007 “por sus estudios de los procesos químicos sobre superficies sólidas”. Se doctoró en 1965 en la Universidad Técnica de Munich con una tesis sobre la síntesis de agua en superficies de cristales de germanio dirigida por Heinz Gerischer (1919 – 1994) a quien, años después, sucedió como director del Fritz Haber Institut en Berlín. Tras su retiro en 2004 como profesor en universidades alemanas, siguió dando clases. En su discurso del Nobel, titulado “Reacciones en las superficies: de los átomos a la complejidad”, dejó constancia de que se le considere, debido al empleo de nuevos procedimientos experimentales, el creador de una metodología de las reacciones catalíticas heterogéneas. Comenzó diciendo que la reacción de obtención del amoniaco a partir del aire fue el gran invento contra el hambre. Para demostrarlo, aportó una comparación entre el aumento de la población y el de la producción de amoniaco durante el siglo XX: el crecimiento era paralelo. Por su importancia, revisó la síntesis del NH3 con catalizador de hierro, comprobando que la velocidad límite la marcaba la quimisorción de N2. Y es que la rotura de enlaces en la quimisorción quizá represente el papel más importante en la catálisis. En los años 60, dijo, gracias a los métodos físicos y al vacío ultra-alto (UHV, del orden de 100 nanopascales), se incrementó el conocimiento de las superficies cristalinas sencillas, en tanto en cuanto se determinaron los átomos superficiales, sus estados eléctricos y su capacidad catalítica. Por ejemplo, se pueden obtener imágenes con el microscopio de efecto túnel de una superficie de platino después de exponerla a una pequeña concentración de moléculas O2 a 165 K, que muestran los átomos quimisorbidos de oxígeno. También, se puede obtener una mejor comprensión del intercambio de energía entre el sólido y las especies quimisorbidas aplicando técnicas de láser de femtosegundos: el equilibrio se alcanza en unos 1000 fs. Además, mediante la difracción electrónica de baja energía (LEED) es posible determinar, por ejemplo, la distancia entre átomos de nitrógeno adsorbidos en la superficie del Fe hasta formar una monocapa. Con estos métodos, Ertl completó el mecanismo de la síntesis del NH3 catalizada por el Fe:

N2 <==> N2(ad)<==> 2N(ad) / H2 <==> 2H(ad) / N(ad) + H(ad) <==> NH(ad) /

NH(ad) + H(ad) <==> NH2(ad) / NH2(ad) + H(ad) <==> NH3(ad) <==> NH3

Ertl expuso que la oxidación del monóxido de carbono, 2CO + O2 = 2CO2 , con catalizador de Pt, se producía a través de: O(ad) + CO(ad) —> CO2. Cuando la cubrición de los adsorbatos excede al 20% de una monocapa, la estructura superficial del Pt se transforma por producirse cambios en las posiciones relativas de los átomos. Mientras tiene lugar el acoplamiento entre las diferentes partes de la superficie los adsorbatos se difunden y la cinética de la reacción es oscilante. Ertl empleó un microscopio de fotoemisión de electrones (PEEM, microscopia fotoelectrónica) con el que detectó imágenes de la formación de ondas espirales durante la oxidación del CO que se rompen en un régimen turbulento. Estas ondas pueden simularse por ordenador.

Las investigaciones de Gerhard Ertl en la ciencia de superficies sólidas no sólo son fundamentales en la catálisis, sino también en la corrosión, en la fricción y en el crecimiento de los cristales. Sus trabajos de mayor importancia práctica los realizó en los procesos de catálisis heterogénea, por ejemplo, consiguió la eliminación de sustancias tóxicas en los de los escapes de los automóviles. La técnica para producir alto vacío ha sido empleada en la industria de semiconductores.

Roger KORNBERG (St. Louis, MO, 1947) recibió el premio Nobel de Química en 2006 “por sus estudios de las bases moleculares de la transcripción eucariota”.

Roger KORNBERG es hijo de Arthur Kornberg, premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1959, quien aisló la ADN polimerasa I, una enzima creadora del ADN. Se doctoró en la Universidad de Stanford en 1972. Trabajó en Cambridge y Harvard, y desde 1978 en Stanford. Fue el primero en explicar cómo se produce la transcripción de la información guardada en los genes para dar lugar a otro organismo. Lo describió para las eucariotas, organismos con núcleo, y lo adornó con unas espléndidas imágenes en su lección del Nobel titulada “La base molecular de la transcripción eucariota”. Roger comenzó explicando que su implicación en el estudio de la transcripción se inició cuando se descubrió el nucleosoma, la unidad en espiral de los cromosomas de la célula eucariota, que actúa como represor de miles de genes excepto los que se sirven de mecanismos reguladores específicos. Para ello, los nucleosomas, a través de las histonas de la cromatina, se transforman en activos y el ADN promotor se aviene a la maquinaria de la transcripción. Roger Kornberg y su numeroso equipo describieron en 1991 la complejísima estructura de la enzima ARN polimerasa II (pol II), responsable, dijeron, de la síntesis de todos los ARN mensajeros en las eucariotas. No obstante, ella sola no es capaz de reconocer un promotor e iniciar la transcripción, se precisaban varios factores, con los que establecieron la siguiente cadena de comunicación:

potenciador —> activador —> mediador —> pol II —> promotor

El proceso se inicia con el ensamblaje de los complejos de transcripción (la estructura del complejo pol II – mediador se determinó por microscopia crio-electrónica y análisis por partes), continúa con la catálisis y finaliza con la síntesis y suelta del ARNm. Las partículas involucradas en el mecanismo son: la enzima pol II, con 12 subunidades y una masa de 515 kilodalton; el mediador, 21 y 1005; y el factor de transcripción (promotor de reconocimiento, GTF), 265 y 1560. Para R.Kornberg, el dogma central de la biología molecular se resume en:

ADN —> (pol II) —> ARNm —> (ribosoma) —> Proteína

considerando alternativamente las acciones enzimáticas de las pol I y pol III.

Tomas LINDAHL (Estocolmo, 1938), Aziz SANCAR (Savur, Turquía, 1946) y Paul MODRICH (Raton, NM, 1946) recibieron el premio Nobel de Química 2015 “por sus estudios sobre el mecanismo de reparación del ADN)”.

Paul LINDAHL trabajó en las universidades de Princeton y Rockefeller, se doctoró en el Karolinska Institutet de Estocolmo en 1967 y, después, fue profesor en la Universidad de Gotemburgo. Desde 1981 está en el Cancer Research de Hertfordshire, UK. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “La fragilidad intrínseca del ADN” comenzó recordando que en 1960 observaron que el ARN de transferencia se descomponía lentamente, destruyéndose residuos de bases y enlaces fosfodiester. Más tarde comprobó que el ADN, aunque era más estable que el ARNt, también se descomponía. La cromatografía del ADN marcado con carbono 14 indicó pérdidas de guanina y adenina, así como una mutación por desaminación de citosina a uracilo. Comprobó que para un ADN de doble hélice de células de mamífero los cambios podían llegar a ser de hasta 20 000 por día. Los daños en las bases podían producirse por ataques hidrolíticos, por oxidación, por alquilación e incluso ser espontáneos. Estos extremos tienen lugar ‘in vitro’, pero ¿qué ocurre ‘in vivo’? (Tiene que haber un mecanismo de reparación por que de lo contario no habría vida). Lindahl mostró en su ‘lectura’ un esquema de reparación, una reconstrucción con enzimas humanas purificadas de un sitio donde faltaba una base. También explicó tres mecanismos de reparación de bases metiladas del ADN, cuya desmetilación la realiza la metil transferasa. En general, dijo, la diversidad de lesiones que pueden afectar al ADN requiere una diversidad de enzimas de reparación.

Aziz SANCAR estudió en la Universidad de Estambul y se doctoró en la de Texas, Dallas, en 1977. Después fue profesor en la North Carolina School of Medicine. En su discurso del Nobel, titulado “Mecanismo de reparación del ADN por fotoliasa y escisión nucleasa”, afirmó que la radiación ultravioleta daña el ADN convirtiendo dos timinas adyacentes en un dímero TT que es potencialmente mutagénico, carcinógeno o letal para el organismo. Este daño es reparado por la enzima fotoliasa en la bacteria Escherichia Coli (E. Coli) y por el sistema de reparación por escisión de nucleótidos (REN) en E. Coli y en humanos. La fotoliasa fue descubierta por Claud S. Rupert (1919 – 2017), director de tesis de Sancar, que demostró que la enzima absorbe el fotón y regenera la timina. Sancar dijo que los pacientes con la enfermedad hereditaria xerodermia pigmentaria (XP) son extraordinariamente sensibles a la luz del sol y tienden a adquirir cáncer de piel porque son deficientes en las proteínas XPA – XPG del sistema REN, en el que siete genes son los responsables de la eliminación de los fotoproductos inducidos por la radiación UV. Descubrió, a través de la investigación con la fotoliasa, una proteína esencial del reloj circadiano, esto es, de los criptocromos, los fotorreceptores de luz en plantas y animales involucrados en el ritmo circadiano que mide el tiempo independientemente del estímulo externo. Demostró que la proteína XPA está controlada por el reloj biológico y se preguntó si el sistema REN oscila con periodicidad diaria. Sancar se despidió diciendo que en sus cuarenta años de vida científica se había dedicado al estudio de la fotorreparación con fotoliasa, lo que le condujo a las investigaciones sobre el criptocromo y el REN.

Paul MODRICH, hijo de un maestro de biología, se doctoró en la Universidad de Stanford en 1973 y entró en 1976 en la Universidad Duke en Durham, Carolina del Norte. En su lección de Nobel, titulada “Mecanismos de la reparación de malos apareamientos en E. Coli y en humanos”, recordó que la idea de que en las células hay pares de bases mal apareadas y que tales lesiones tienden a su propia reparación fue sugerida hace cincuenta años por Robin Holliday (1932 – 2014). Durante la recombinación genética las hélices del ADN se rompen y vuelven a juntarse en un heterodúplex, en el que las dos hebras se derivan de patrones recombinantes diferentes. Holliday apuntó que si el heterodúplex comportase una diferencia genética entre los dos ADN, contendría una o más pares de bases mal apareadas; también sería posible, si hubiese enzimas reparadoras, que reconociesen el fallo y lo rectificasen. La evidencia directa de que el mal apareamiento provoca una reacción reparadora la obtuvieron Wagner y Meselson en 1976 con experimentos de transformación bacteriana en la E.Coli empleando heterodúplex construidos artificialmente que poseían muchos pares de bases mal apareadas. Dedujeron que la reparación se hacía sobre la propia hebra de ADN. También se demostró que la reparación depende de cuatro genes mutadores que se enlazan a los pares de bases mal apareadas; pero que además son necesarios otros factores enzimáticos. En 1989, Modrich demostró que los grupos metilo de la molécula de ADN actuaban como señales para reparar réplicas incorrectas. Además, hizo extensibles a las células humanas los resultados obtenidos para las bacterias, estableciendo las funciones de los genes mutadores MutS y MutL e indicando que su defecto causa el síndrome de Lynch (cáncer colorrectal), el más común de los cánceres hereditarios.

Hideki SHIRAKAWA (Tokio, 1936), Alan G. MACDIARMID (Masterton, Nueva Zelanda, 1927 – Drexel Hill, PA, 2007) y Alan J. HEEGER (Sioux City, IA, 1936), compartieron el premio Nobel de Química en 2000 “por el descubrimiento y desarrollo de los polímeros conductores”.

Hideki SHIRAKAWA estudió Ingeniería Química y se doctoró en 1966 en el Instituto de Tecnología Química de Tokio. En 1976 trabajó con MacDiarmid en la Universidad de Pensilvania y en 1979 fue profesor en la Universidad de Tsukuba. En su lección de recepción del Nobel, titulada “El descubrimiento del film de poliacetileno: diseño de la era de los polímeros conductores”, recordó que estaba investigando sobre plásticos, esas sustancias constituidas por cadenas muy largas compuestas por pequeñas moléculas, que se emplean, entre otros usos, como aislantes de cables eléctricos, cuando sintetizó poliacetileno empleando un catalizador orgánico Ziegler- Natta con titanio y aluminio. En uno de los ensayos, ante su asombro, obtuvieron una delgada película del polímero en vez de la masa amorfa habitual ¡Habían empleado por error una cantidad de catalizador mil veces mayor de lo normal! ¡Y el film tenía una conductividad eléctrica del orden de los metales! ¡Chiripa! Shirikawa encontró que en el film estaba constituido por unas microfibras de entre 20 y 100 nanómetros de largo y que el porcentaje de los isómeros cis y trans dependía de la temperatura: a 150ºC todo el polímero era trans y a -78ºC casi todo cis. Después, trabajando con MacDiarmid y en contacto con Heeger, demostraron que era posible sintetizar polímeros conductores y explicaron en profundidad sus características.

Alan MACDIARMID, neozelandés, ganó una beca Fulbrigth en 1951 para la Universidad de Wisconsin, Madison, y se doctoró en 1953 y en 1955. Fue profesor en la Universidad de Pensilvania desde 1964 hasta 2002 cuando se trasladó a la Universidad de Texas, Dallas. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “Metales sintéticos: un nuevo rol para polímeros orgánicos”, puntualizó que los nuevos polímeros tienen las propiedades eléctricas, electrónicas, magnéticas y ópticas de un metal, pero mantienen sus propiedades mecánicas. Estos ‘metales’ no son una mezcla física de un polímero no conductor con un metal o con carbón en polvo distribuidos a lo largo del material. Los polímeros orgánicos conjugados son o aislantes eléctricos o semiconductores. Los que tienen su conductividad aumentada en varios órdenes de magnitud se suelen llamar polímeros electrónicos y han adquirido una gran importancia desde 1990 debido a sus aplicaciones. (Por ejemplo, la polianilina dopada incrementa su conductividad desde 0,1 nano siemen por centímetro –aislante- hasta 1000 S/cm –conductor-). La adición controlada de dopantes, usualmente menos del 10%, es reversible y puede realizarse según diversas técnicas: dopaje redox químico o electroquímico; fotodopaje; dopaje por inyección de carga. Se trata de que el polímero adquiera electrones libres o, por el contrario, tenga huecos dejados por la ausencia de electrones. Para su empleo en nanoelectrónica, dijo MacDiarmid, se producen microfibras de polímeros de tamaño en el entorno de 100 nm inyectando una disolución del polímero contra un cátodo metálico a potenciales elevados (esta técnica se llama electrospinning). Sobre las microfibras se pueden depositar capas de catalizadores o de materiales electrónicamente activos.

Alan HEEGER se doctoró en Física en la Universidad de California, Berkeley, en1961. Entre 1962 y 1982 estuvo en la Universidad de Pensilvania y después fue profesor en el Departamento de Física de la Universidad de California, Santa Bárbara. Sus investigaciones derivaron en la creación de varias empresas. En su discurso del Nobel, titulado “Polímeros semiconductores y metálicos: la cuarta generación de materiales poliméricos”, Heeger dijo que se había abierto un nuevo campo de investigación situado entre la química y la física de la materia condensada que ofrecía una serie de oportunidades como las siguientes. Este campo permite entender las macromoléculas (de Staudinger, Ziegler, Natta y Flory, recordó) con enlace ‘pi’, cuya configuración conduce a la deslocalización electrónica a lo largo de la cadena del polímero. Por ejemplo, en el poliacetileno, (-CH=CH-)n , un polímero conjugado, la banda ‘pi’ se divide en dos: una llena con dos electrones y otra vacía separadas por un intervalo de energía, situación típica de los semiconductores. Asimismo, se pueden estudiar las transiciones aislante – metal por medio del dopaje mediante reacciones redox que conduce a semiconductores tipo P (forma oxidada, polímero con carga negativa) o tipo N (forma reducida, polímero con carga positiva). La concentración del dopante influye: cuando la cantidad es suficientemente alta, la estructura electrónica evoluciona hacia la de un metal, pero las cantidades intermedias conducen a materiales poco homogéneos, problema que se resuelve por medios electroquímicos, con electrodos, donde el voltaje determina la cantidad de dopante. Otros métodos de dopaje se basan en las reacciones ácido – base y en la acción de la luz (fotodopaje). También se investiga sobre materiales que posean propiedades nuevas: polímeros semiconductores y metálicos solubles y procesables en disolventes ordinarios; polímeros metálicos transparentes; semiconductores en los que la energía de Fermi pueda modificarse. Finalmente, Heeger, refiriéndose a las aplicaciones, afirmó que la mayoría de los fenómenos conocidos en los semiconductores inorgánicos convencionales han sido observados en los polímeros semiconductores. Se ha demostrado el alto rendimiento de los aparatos fotónicos fabricados con polímeros conjugados, incluyendo los diodos emisores de luz (LED), las células electroquímicas emisoras de luz (LEC), las células fotovoltaicas, los fotodetectores y los optoacopladores.

Walter KOHN (Viena, 1923 – Santa Bárbara, CA, 2016) fue distinguido con el premio Nobel de Química en 1998 “por el desarrollo de la teoría de la función de densidad”. John A. POPLE (Burnham-on-sea, Somerset, RU, 1925 – Chicago, Il, 2004) compartió el premio “por el desarrollo de métodos de computación en Química Cuántica”.

Walter KOHN, judío vienés, fue llevado a Canadá tras declararse la Segunda Guerra Mundial. Estudió en la Universidad de Toronto y se doctoró en 1946 en Harvard con una tesis sobre el problema de los tres cuerpos dirigida por J.Schwinger. Fue profesor en las universidades de San Diego y Santa Bárbara en California desde 1960 hasta su jubilación como emérito. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “Estructura electrónica de la materia. Funciones de onda y funciones de densidad”, comenzó recordando la opinión de Dirac sobre la dificultad de la aplicación de la mecánica cuántica a la química: las ecuaciones son demasiado complejas para resolverlas salvo en el caso de dos electrones, como en la molécula de hidrógeno y el átomo de helio. La teoría de la función de densidad (DFT), dijo, es una aproximación que utiliza la densidad de la distribución electrónica, n(r), en vez de la función de onda de muchos electrones. La densidad electrónica es una magnitud escalar que depende de tres variables espaciales y está determinada por la función de onda normalizada, lo que supone una simplificación del cálculo computado y lo hace asequible a la materia condensada. Con respecto a la estructura de las moléculas, dijo, los teóricos, siguiendo el camino de la ecuación de Schoedinger, utilizan orbitales de partículas con un complicado cálculo de determinantes de Slater; pero la DFT camina en otro sentido: la densidad electrónica n(r) del estado fundamental. Por ejemplo, pueden calcularse superficies con densidad electrónica constante que sirvan para predecir las interacciones con otras moléculas y cargas del entorno. No obstante, Kohn reconoció que la DFT, establecida en 1964, no había sido aceptada por muchos físicos y químicos y que debería ser modificada en varios aspectos en los que trabaja deficientemente: energías de polarización a largas distancias, capas electrónicas parcialmente llenas, barreras de energía y otras. Y afirmó su convicción de que el trabajo cooperativo de las funciones de onda y de densidad servirían para una mejor comprensión de la estructura de la materia. Walter Kohn, estadounidense desde 1957, fue conocido también por sus contribuciones a la teoría de los muchos cuerpos y a la física de los semiconductores.

John POPLE se doctoró en matemáticas en 1951 bajo la dirección de Lennard-Jones en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, con una tesis sobre pares de electrones solitarios. En 1964 se trasladó a la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, Pensilvania, EEUU, y en 1993 a la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois. En su lección del Nobel, titulada “Modelos en Química Cuántica”, Pople, como Kohn, también comenzó recordando las palabras de Dirac sobre la dificultad de los cálculos cuánticos y aludió a la necesidad de los métodos aproximados, utilizando modelos que consigan correspondencia con datos experimentales tales como los potenciales de ionización y los calores de reacción, mediante programas de computadora eficientes y sencillos de usar. Los modelos pueden ser, dijo, ‘ab inicio’, que utilicen solamente constantes fundamentales, o semiempíricos, que introduzcan algunos datos experimentales. En concreto, el método de aproximación autoconsistente de Hartree- Fock Slater trata con 2 n electrones moviéndose en un set de n orbitales moleculares independientes. La pesadilla de las integrales, dijo Pople, se resuelve con la introducción de parámetros obtenidos empíricamente. Pople y sus colaboradores hicieron los programas informáticos GAUSSIAN, con un algoritmo para aumentar la eficiencia disminuyendo las operaciones aritméticas, con modelos CISD (interacción de configuración) y CCSD (racimos acoplados) que no desprecien la correlación entre los movimientos de los electrones de espín antiparalelo, y empleando la configuración cuadrática QCISD, intermedia entre las anteriores. Pero, ¿cómo funciona el programa para una molécula sencilla? En principio se seleccionan los enlaces de, por ejemplo, un átomo de carbono central con los diversos radicales, obteniéndose un bosquejo de la molécula. Después se dan instrucciones al computador para que determine la estructura de la molécula, que se completa en la pantalla, y finalmente se pide que calcule algunas propiedades del sistema. Los programas de Sir John Anthony Pople han sido empleados en todos los campos de la Química, incluso en la determinación de la estructura de la materia estelar a partir de las frecuencias recogidas en los radiotelescopios.

Martin KARPLUS (Viena, 1930), Michael LEVITT (Pretoria, Sudáfrica, 1947) y Arieh WARSHEL (Israel, 1940) compartieron el premio Nobel de Química en 2013 “por el desarrollo de modelos multiescala para sistemas químicos complejos”.

Martin KARPLUS pertenece a una familia judía que huyó de Viena al llegar los nazis. Se doctoró en 1953 en el Caltech con una tesis titulada “Una discusión mecano cuántica sobre el ion bifluoruro” dirigida por Linus Pauling. Después de su paso por otras universidades y laboratorios europeos fue profesor (1967) y emérito en la Universidad de Harvard. En su lección del Nobel, titulada “Desarrollo de sistemas multiescala para sistemas químicos complejos. Desde H + H2 hasta las biomoléculas”, citó de nuevo la opinión de Dirac sobre lo complicadas que eran las ecuaciones, pero recordó que también había hablado de aproximaciones mecano cuánticas para simplificarlas. Karplus señaló que Dirac no se refirió a la mecánica clásica, a las leyes clásicas del movimiento de los átomos en las superficies de potencial en que se mueven. Él dedujo estas leyes para la simulación de la dinámica de la reacción de intercambio H + H2 ===> H2 + H , una reacción que venía estudiando desde que era discípulo de Linus Pauling. Y estableció que para predecir con precisión el curso de las reacciones en los sitios en los que tienen lugar se requieren cálculos basados en la mecánica cuántica, pero que para las otras partes de la molécula sólo se necesitan cálculos menos complicados de la mecánica clásica. Elaboró el programa informático CHARMM y lo aplicó a moléculas con muchos átomos, como el inhibidor de la tripsina pancreática bovina (BPTI), una enzima de pequeño tamaño, y el polieno retinal (aldehído de la vitamina A), estudiando cómo se transforman sus confórmeros mediante colisiones reactivas y no reactivas que tienen lugar en femtosegundos.

Michael LEVITT nació en Sudáfrica en el seno de una familia judía originaria de Lituania. Se doctoró en Cambridge, GB, con una tesis sobre conformación de proteínas. En 1980 fue profesor de Química Física en el Instituto Weizmann de Israel hasta 1987, fecha en que pasó a la Universidad de Stanford como profesor de Biología Estructural. En su lección del Nobel, titulada “Nacimiento y futuro de los modelos multiescala para sistemas macromoleculares”, habló del pasado, presente y futuro de la biología estructural por computadora. El nacimiento,dijo, llegó aupado a hombros de gigantes: Crick y Watson, Perutz y Kendrew y Linus Pauling. En Israel, Levitt se unió en la investigación de los cálculos de energía de moléculas a Shneior Lifson y a su discípulo Warshel. Utilizaron simplificaciones para calcular, por ejemplo, la energía del plegamiento de una proteína: colapsaban todos los átomos de una cadena lateral en un solo centro de interacción y todos los átomos de la cadena principal en un segundo centro de interacción. Levitt y Warshel, combinando la química cuántica y la clásica, crearon programas informáticos potentes. Con ellos, Levitt estudió las reacciones de la lizosima, simuló la dinámica de las proteínas en disolución y el desplegamiento por la temperatura de una hélice alfa en agua, y fue capaz de abordar el estudio de las reacciones en grandes sistemas como el ARN polimerasa II y el ribosoma. Con respecto a las investigaciones futuras, Levitt habló de las aplicaciones a la biomedicina mediante cálculos que sustituyesen al experimento, concretamente, de la modelización por computadora de anticuerpos humanizados, por ejemplo, de un anticuerpo que se una a la interleucina 2, el factor de crecimiento de los linfocitos T.

Arieh WARSHEL nació en un kibbutz y sirvió en el ejército israelí en las guerras de los Seis Días y del Yom Kippur. Se doctoró en Química Física en 1969 con Lifson en el Instituto Weitzmann, trabajó en Harvard y en Cambrige y desde 1976 es profesor de la Universidad Southern California. En su lección del Nobel, titulada “Modelos multiescala de funciones biológicas: de las enzimas a las máquinas moleculares”, comenzó señalando que para el estudio de las macromoléculas es fundamental usar simulaciones que describan cómo se relacionan las fuerzas moleculares para una función determinada; pero al ser imposible obtener una representación mecano cuántica total, se divide en partes en la región donde se rompen los enlaces. Es el modelo QM/MM (mecanismo cuántica / mecanismo molecular). Por ejemplo , en la lizosima el sitio activo se divide en una pequeña zona QM reactiva y el resto del sitio se describe mediante un modelo clásico MM. Warshel demostró cómo se deslocalizan los dipolos en el sitio activo de la enzima durante el estado de transición. También dedujo la foto isomerización del retinal en el proceso de la visión: la luz transformaba el 11-cis retinal en trans retinal por torsión del enlace 11-12. Asimismo, estudió la hidrólisis del ATP en el F1-ATPasa, y el acoplamiento entre el ribosoma y el translocón, el canal translocador a través de las membranas formado por un complejo de proteínas. Con respecto al futuro, Warshel considera importante el estudio de la resistencia a los antibióticos, de los inhibidores de virus y de los aparatos nanotecnológicos, aunque estos no sean sistemas biológicos.