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Química

La vida en el tubo de ensayo

Propiedades inesperadas de ciertas reacciones pueden servir como analogía para entender la vida

STEPHEN MORRIS/FLICKR.COMUn químico observa un frasco de vidrio conectado a varios tubos de goma. Dentro de ese aparato, un líquido amarillo es constantemente agitado. A simple vista parecería un experimento de química de aquéllos para niños, si no fuese por la computadora que está al lado del frasco una célula electroquímica a decir verdad, donde la electricidad activa reacciones químicas que registra incontables gráficos que cuantifican las sustancias que surgen y desaparecen durante la reacción. El grupo del ingeniero químico Hamilton Varela, del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo con sede en la localidad de São Carlos (IQSC-USP), se aboca a la concreción de reacciones químicas que pueden funcionar como analogía para entender de qué manera los sistemas vivos se mantienen estables, aunque estén constantemente sujetos a las variaciones del ambiente.

En estados alejados del equilibrio termodinámico, las reacciones químicas pueden oscilar, explica Varela. Para él, eso es lo que define a los sistemas vivos: los mismos oscilan, o varían entre un estado y otro. Es una propiedad característica del corazón, de los ritmos circadianos y del cerebro, entre otros aspectos de la vida, y   esta flexibilidad precisamente es lo que hace que estos sistemas sean resistentes a la inestabilidad del ambiente. Lógicamente, una reacción química es una representación muy rudimentaria de la complejidad de la vida, pero hasta ahora nadie ha planteado una analogía mejor, justifica.

Hasta mediados del siglo pasado, se creía que las reacciones químicas solamente iban en un sentido: reactivos daban origen a productos. Hoy en día se sabe que una reacción puede ir y volver, con sustancias intermedias apareciendo y  desapareciendo a medida que el tiempo pasa. Un ejemplo célebre es la reacción de Belousov-Zhabotinski, que ilustra estas páginas. En una placa de vidrio se ve que la reacción se propaga en ondas, formando dibujos concéntricos. Fue la primera reacción oscilatoria tomada en serio, resume Varela. En los años 50, el ruso Boris Belousov se dio cuenta de que una mezcla que incluía bromato de potasio y algunos otros reactivos generaba una reacción con intermedios cuya concentración oscilaba, haciendo que el color de la solución variase entre el amarillo y el incoloro. Tardó para que se aceptase la propuesta casi herética de una reacción oscilatoria, hasta que algunos años después Anatol Zhabotinski, también ruso, arribó a la misma conclusión. El color de la mezcla que se retrata acá, con bromato y  ácido malónico, varía entre el rojo y el azul, de acuerdo con el pH de la solución.

Varela investiga el comportamiento oscilatorio en reacciones muy estudiadas en electroquímica debido a su simplicidad e interés práctico. Dentro de la célula electroquímica, el equipo instala una placa de platino de alrededor de cinco milímetros en una solución de ácido fórmico, cuyas moléculas contienen un único átomo de carbono, dos de oxígeno y dos de hidrógeno (HCOOH). En la reacción, ésta se conecta temporalmente al platino y luego de algunos pasos intermedios, libera gas carbónico (CO2) o monóxido de carbono (CO), que reviste al electrodo de platino.

Este sistema de platino y ácido fórmico tiene una curiosa propiedad que Varela descubrió. Al contrario de lo que es típico de las reacciones químicas, el proceso no se vuelve más rápido cuando la temperatura sube. Las etapas intermedias de la reacción del ácido fórmico con el platino se acoplan de manera tal que la frecuencia de las oscilaciones permanece constante cuando la temperatura aumenta, tal como el grupo demostró el año pasado en el Journal of Physical Chemistry A. Es un paralelo más con los sistemas vivos, que mantienen un funcionamiento estable aun cuando la temperatura del ambiente varía dentro de un cierto rango. El investigador explica que esta estabilidad bioquímica u homeostasis es responsable de la temperatura corporal constante en los organismos vivos homeotérmicos como los mamíferos y las aves.

A fondo
Varela estudia ahora el sistema en detalle para entender de dónde provienen estas particularidades. El grupo testeó distintos parámetros experimentales y verificó que en algunas condiciones el ácido fórmico casi no requiere energía de activación para perder una molécula de agua y producir monóxido de carbono, algo poco común en reacciones de este tipo, que necesitan energía para concretarse. Los resultados fueron publicados en octubre de este año en el Journal of Physical Chemistry C y sugieren que tal vez dicha particularidad tenga que ver con el comportamiento del ácido fórmico con el electrodo de platino. Varela vio también que las oscilaciones capaces de compensar cambios de temperatura no son características generales de las moléculas simples. El metanol, también compuesto por un solo átomo de carbono (y uno de oxígeno y cuatro de hidrógeno), se comporta al decir del investigador de manera completamente trivial, tal como lo demostró en un artículo de este año en Physical Chemistry Chemical Physics.

Varela es también uno de los 20 integrantes de la iniciativa internacional Ertl Center for Electrochemistry and Catalysis, un centro de investigación con sede en Corea del Sur y dirigido por el ganador del Premio Nobel de Química en 2007, Gerhard Ertl, y pretende ir lejos en la investigación acerca de cómo las reacciones químicas pueden ayudar a entender la vida. El próximo paso consistirá en será montar electrodos de platino en serie para observar el surgimiento de propiedades emergentes, en las cuales el funcionamiento del conjunto es distinto que el de sus partes. Es lo que sucede en el cerebro o en un hormiguero, ejemplifica. El cerebro como un todo cumple funciones que una sola neurona no tiene. De la misma manera, el comportamiento de una hormiga sola no tiene sentido; solamente observando el hormiguero como un conjunto surge una organización compleja. El ingeniero de la USP pretende armar una estructura con 80 electrodos en serie para estudiar las propiedades emergentes del sistema. Raphael Nagao, doctorando que trabaja en su laboratorio, está abocado a ese logro técnico y afirma que por ahora tiene capacidad para testear 32 electrodos en serie. Una vez superados los obstáculos técnicos, Varela pretende contribuir para ampliar la integración de disciplinas tales como la química, la física y  la biología. Una integración en ocasiones restringida, incluso por la peculiar jerga a cada uno de estos campos del conocimiento.

El proyecto
Autoorganización dinámica en la interfaz sólido-líquido (nº 04/04528-0); Modalidad Programa Joven Investigador; Coordinador Hamilton Varela IQSC-USP; Inversión R$ 371.700,56

Artículos científicos
NAGAO, R. et al. Temperature (over)compensation in an oscillatory surface reaction. Journal of Physical Chemistry. v. 112, n. 20, p. 4.617-24. abr. 2008.
ANGELUCCI, C. A. et al. Activation energies of the electrooxidation of formic acid on Pt(100). Journal of Physical Chemistry. sept. 2009.

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