Premios Nobel 1994

1994/11/01 Barrenetxea, Tere - Elhuyar Fundazioa Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Sariak

George A. Olah, químico estadounidense de 67 años, ha ganado el Premio Nobel de Química de este año.

En 1965 Olah demostró por primera vez que los átomos que no eran metales, y especialmente los átomos de carbono, podían tener una carga eléctrica positiva, formando estructuras llamadas carbocationes. En ese año su equipo de investigadores aislaron y caracterizaron el primer carbocatión estable.

El átomo de carbono, cuando se encuentra en moléculas orgánicas, se encuentra asociado a otros cuatro átomos (como si tuviera cuatro brazos) formando estructuras sin carga eléctrica. Por ejemplo, el gas natural que próximamente utilizaremos para calentar nuestras casas contiene una molécula de CH 4 llamada metano. Si se consigue eliminar a esta molécula un átomo de hidrógeno, se forma un “molécula brazada” de carga eléctrica positiva CH 3 +, que sólo tiene tres enlaces (tres brazos). Pero este proceso no es nada sencillo, y fue posible gracias a los nuevos “superrazidos” descubiertos por Olah. Estos superrazidos son millones de veces más fuertes que el ácido sulfúrico o similares que se utilizan industrialmente.

Los carbocationes son muy reactivos, se eliminan inmediatamente. No obstante, tal y como descubrió Olah, en condiciones adecuadas, se pueden utilizar para proporcionar otras moléculas orgánicas de interés. Gracias a estas investigaciones básicas se han desarrollado importantes reacciones industriales de “reforming” y “cracking” para extraer de petróleo gasolinas sintéticas de buena calidad. Si de la destilación con hervor del petróleo se tuviera que extraer directamente la gasolina natural, por un lado se obtendría muy poca (sólo del 10 al 15 por ciento), y por otro, al ser los hidrocarburos obtenidos moléculas de cadena larga, los niveles de octano serían muy bajos, de mala combustión y contaminantes.

Sin embargo, si la destilación del petróleo se realiza a través de una serie de superrazidos inventados por Olah, debido a los carbocationes, las moléculas de hidrocarburos se interrumpen y ramifican formando gasolinas de muy alto nivel de octano. De esta forma, por un lado, el petróleo se aprovecha mucho mejor con más gasolina y, por otro, al ser mejor que la combustión natural de estas gasolinas sintéticas, se contamina menos. Hoy en día, las gasolinas de casi todo el mundo se obtienen así.

En la década de los ochenta, el equipo de investigadores de Olah comenzó a buscar cationes de otros átomos distintos al carbono o “moléculas onduladas cargadas”. En particular, los iones “silizenio” del átomo de silicio. Estos estudios han tenido una gran influencia en los químicos orgánicos implicados en la preparación de moléculas complejas a nivel mundial.

Olah, nació en 1927 en Budapest (Hungría), donde, a pesar de ser profesor de Física, se trasladó a Estados Unidos en 1957. Además de su residencia y nacionalidad, su actividad científica se vio totalmente alterada: Química Orgánica frente a la Física. Tras lanzar sus primeros descubrimientos básicos, en 1977 se convirtió en profesor del prestigioso HSI (Hydrocarbon Search Institute) de California Sur y desde entonces trabaja en este centro de investigación.

Olah ha publicado cientos de investigaciones en las revistas científicas más importantes del mundo, siempre escribiendo profundas, elementales y elegantes trabajos de química sobre moléculas cargadas positivamente. Todo ello no ha impedido que su gran sabiduría y humanidad (mide más de 1,90 metros) se distribuyera con jóvenes químicos. Así sucedió hace dos años en una conferencia muy cerca de Euskal Herria (en la Arcachon francesa). En él, entre otras cosas, en los debates con doctores y profesores jóvenes de la Universidad del País Vasco, presentó su último proyecto de investigación: la preparación y estudio de moléculas orgánicas con dos cargas positivas.

Bertram Brockhouse, físico canadiense de 76 años y Clifford Schull, físico estadounidense de 79 años, han sido los ganadores del Premio Nobel de Física de este año.

Las obras pioneras llevadas a cabo en las décadas de los 40 y 50 supusieron una semilla, entre otras, el Institut Laue-Langevin, el ILL (Francia) y los gigantescos centros de investigación ISIS (Gran Bretaña) construidos para ser utilizados por científicos europeos. En ella se crean neutrones para investigar la estructura atómica de materiales muy diversos y su dinámica mediante técnicas de dispersión de neutrones.

La principal aportación de Schull ha sido el desarrollo de técnicas de dispersión elástica de neutrones para conocer la estructura atómica. Su técnica ha tenido una gran influencia en el magnetismo y en la unión del hidrógeno en materiales orgánicos e inorgánicos.

Su compañero Shull y Ernest Wollan (arriba bego) construyeron en 1948 el difragtador de neutrones (fracciones subatómicas sin carga eléctrica pero con spin) para muestras cristalinas en el laboratorio Oak Ridge (EEUU). En ella se seleccionan neutrones de un estrecho rango de energía a partir de la gama de neutrones de amplio rango de energía generada por el reactor de fisión, difractando neutrones en un cristal (monocromatizador) (variando la dirección de movimiento al atravesar el cristal según la velocidad). El haz de neutrones de la misma energía seleccionada se dirige a la muestra objeto de estudio para soportar una nueva difracción. Cuantificando el número de neutrones que alcanza el detector por ángulo de dispersión y unidad de tiempo, los neutrones dispersos en esta segunda difracción, se pueden conocer las posiciones de los núcleos atómicos de la muestra objeto de estudio.

Ese fecundo año Shull y sus compañeros fueron capaces de comprobar la capacidad de separar los diferentes isótopos de un elemento químico de neutrones y “ver” el elemento más ligero (hidrógeno) hasta entonces “invisible”. Antes la principal técnica experimental para el estudio de la estructura de la materia era la dispersión de los rayos X, pero al ser la probabilidad de dispersión de los rayos X proporcional al número atómico del elemento, es imposible “ver” elementos ligeros y distinguir elementos de número atómico pareado. Como estos dos principales obstáculos pueden superar la dispersión de los neutrones, se abrió una amplia puerta (abierta) para estudiar la estructura de la materia. Dado que el hidrógeno es un elemento básico de los compuestos orgánicos, se abrió una vía importante para estudiar la química orgánica y las macromoléculas biológicas.

Al año siguiente Shull y J. Demostraron experimentalmente el antifromagnetismo del Óxido de Smart Manganeso (MnO). Este fue el experimento pionero para comprobar la dispersión magnética de los neutrones. Por tanto, quedó demostrado que el neutrón puede combinarse con la materia de dos formas: 1) mediante una intensa interacción nuclear con el núcleo y 2) con los electrones no apareados por spin, es decir, con los momentos magnéticos atómicos.

En 1956 fue contratado por el Massachussets Institute of Technology (MIT) y permaneció hasta su jubilación. Los trabajos de investigación de Shull siguieron el mismo camino y hasta 1970 publicó varios trabajos pioneros. Cabe destacar el espectrómetro de neutrones polarizados, construido por primera vez en 1959, capaz de distinguir y utilizar el spin “al alza” o “a la baja” del neutrón.

Brockhouse ha sido galardonado por su contribución al desarrollo de técnicas de dispersión no elástica de neutrones. Esta técnica permitió investigar en las dinámicas materiales de los átomos. Su técnica ha tenido una gran influencia en el desarrollo de teorías de transición entre la estructura de los líquidos y los estados sólido/fluido.

Brockhouse desarrolló todo el trabajo experimental en el laboratorio Chalk River. Sin embargo, a partir de 1962 fue contratado por la Universidad de MacMaster. En 1955, Brockhaus construyó un medidor similar a Wollan y Shull, pero con el objetivo de estudiar las energías de los neutrones difractados en la muestra, añadió al espectrómetro otro cristal (analizador) (formando un esperctrómetro de tres ejes). Así, además de la estructura estática de la materia, se puede estudiar la dinámica de los átomos y momentos magnéticos.

El difractador diseñado por Shull “ve” los núcleos parados o los momentos magnéticos en un orden perfecto. Pero la temperatura hace que los átomos y los momentos magnéticos vibren alrededor de las posiciones de equilibrio (dinámica microscópica). La dinámica microscópica con rayos X es prácticamente inalcanzable, pero la energía de los neutrones térmicos es de orden atómico, por lo que se puede medir fácilmente con un espectrómetro de tres ejes.

Brockhouse y sus compañeros fueron muy productivos en el diseño de espectrómetros de dispersión no elástica, entre los que destacan el de cristal giratorio y el espectrómetro de tiempo de vuelo (se mide la velocidad de los neutrones (energía), midiendo el tiempo que tardan en viajar un tramo conocido). Entre las medidas llevadas a cabo destacan la obtención del primer espectro de magnos (ondas de momentos magnéticos) y el de dispersión en agua líquida.

El campo de investigación, liderado por Brockhouse y Shull, ha traspasado los límites de la física nuclear y del estado sólido y se ha extendido a otros campos de las ciencias.

En Euskal Herria también existen dos o tres grupos de investigación que utilizan los gigantescos laboratorios de neutrones ILL y ISIS de Europa, y en 1990 se celebró en la sede de la UPV/EHU de Deusto un congreso sobre dispersión de neutrones.

El Premio Nobel de Medicina y Fisiología ha recaído en dos investigadores estadounidenses: Alfred Gilman y Martin Rodbell por su trabajo sobre mecanismos de actuación hormonal.

Para que un organismo funcione es necesario que sus componentes actúen de forma coordinada y para ello deben conocerse mutuamente. En concreto, las células deben estar continuamente informadas del estado de este organismo para actuar de una manera u otra en función de esta situación.

Las hormonas son los mensajeros químicos encargados de la integración y coordinación bioquímica de los seres vivos. Las células dan respuesta a la presencia de mensajeros químicos como las hormonas, modificando alguna de sus actividades adaptándolas a la situación que este mensaje le indica.

Algunas hormonas se incorporan a sus células diana. Otras permanecen en el exterior de la célula. En este último caso, si la señal que ha quedado fuera va a influir en la actividad bioquímica de esta célula, está claro que hay que crear un segundo mensajero dentro de la célula.

En el lenguaje técnico, la transformación de la señal extracelular que trae la hormona en intracelular se denomina transducción de señal. Un tipo de proteínas que participa en el proceso de transducción ha sido el objeto de estudio de este premio Nobel de este año. Estas proteínas se denominan proteínas G, por su capacidad de unión de nucleótidos de guanina. Estos investigadores descubrieron estas proteínas G y demostraron su participación en la transducción de señal.

Desde entonces se ha aislado gran cantidad de proteínas G diferentes. La mayoría de ellas, más de 1.000, están relacionadas con el olfato y el gusto. Otros están relacionados con la neurotransmisión, la regulación de los niveles de glucosa y la presión sanguínea o la función renal. Por lo tanto, una buena actividad de proteínas G y proteínas como éstas son de gran importancia para los seres vivos y algunas enfermedades están causadas por el mal funcionamiento de estas proteínas. Por ejemplo, las toxinas de la cólera y la cúpula añaden a las proteínas G y modifican su actividad desarrollando la enfermedad.

También se han relacionado con el cáncer a través de otros descubrimientos, ya que algunas proteínas G pueden convertir células normales en células cancerígenas. A la luz de estos datos se puede concluir que las proteínas G también tienen que ver con el control de la reproducción celular. Este camino puede generar muchos estudios para los oncólogos en los próximos años.

Los premiados, Gilman y Rodbell, son estadounidenses. Alfred Gilman, de 53 años, trabaja en el departamento de farmacología de la Universidad de Texas. Por su parte, Martin Rodbell, de 69 años, lidera el Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental de Carolina del Norte.