Les aplicacions més avançades de la química s’han desplaçat els darrers anys a la nanociència, en què s’utilitzen tots els coneixements adquirits pels químics durant anys per a sintetitzar nous materials amb un control estructural de les dimensions espacials de l’ordre dels nanòmetres. Una de les fites més espectaculars aconseguides el 2010 en aquesta direcció va ser la utilització de virus com a plantilles per a l’obtenció de nous catalitzadors o de nous materials per a elèctrodes de bateries.
Un altre dels fronts més actius de la química és l’estudi de la funció i les propietats de les biomolècules, en què darrerament destaquen els esforços per comprendre l’origen i la funció de l’amiloide-ß, el compost químic responsable de les plaques que recobreixen les neurones en els cervells de malalts d’Alzheimer. El progrés en el coneixement no està, però, renyit amb el desenvolupament de noves tècniques per a realitzar tasques bàsiques en un laboratori químic, i en aquest aspecte destaca la cromatografia líquida a pressions ultraelevades, que permet reduir de manera considerable el temps necessari per a separar mescles complexes de productes químics com les que s’han de tractar de manera habitual en la indústria farmacèutica.
Síntesi de nous materials usant virus com a plantilles
El bacteriòfag M13 (color carbassa) es recobreix d’una capa de partícules nanoscòpiques d’òxid de ceri (en groc), níquel (verd) i rodi (violeta) i crea una heteroestructura nanocristal·lina capaç de catalitzar la conversió d’etanol en hidrogen
Una de les aproximacions més creatives a la síntesi de nous materials amb control de l’estructura en l’escala dels nanòmetres ha estat, sense cap mena de dubte, la que han utilitzat investigadors de l’Institut Tecnològic de Massachusetts (MIT) per a obtenir un nou catalitzador que converteixi etanol en hidrogen, un procés de gran importància per a la fabricació de piles de combustible. Per a obtenir el nou catalitzador, aquest grup de recerca ha utilitzat un virus, el bacteriòfag M13, com a plantilla per a nuclear nanopartícules d’òxid de ceri, de rodi i de níquel. El nou catalitzador té unes propietats físiques força diferents de les dels catalitzadors obtinguts amb els mateixos components però en absència dels virus, que li confereixen una estabilitat a llarg termini molt més elevada, així com una vulnerabilitat molt menor respecte de la degradació superficial.
El mateix bacteriòfag M13 ha estat modificat genèticament de manera que les seves proteïnes de superfície puguin nuclear altres materials per a sintetitzar heteroestructures per a càtodes de bateries d’ió i liti. En aquest cas, el virus s’envolta ell mateix d’una capa de fosfat de ferro amorf, un material habitual en aquest tipus d’aplicacions. Modificant un altre gen del bacteriòfag s’aconsegueix que el virus s’enganxi a un nanotub de carboni que fa les funcions de nanocable, connectant el càtode als altres components de la bateria. De moment, l’equip de recerca del MIT ha aconseguit construir un prototip de bateria basat en components virals amb unes prestacions similars a les bateries comercials actuals, i abans d’iniciar el procés per a obtenir bateries virals a escala comercial, estan treballant per introduir modificacions que esperen que es tradueixin en un rendiment superior al de les bateries actuals.
L’amiloide-ß: clau per al tractament de l’Alzheimer?
Representació esquemàtica de l’enzim β-secretasa, una diana farmacèutica molt atractiva per a bloquejar la formació d’amiloide-β en les neurones de persones afectades de la malaltia d’Alzheimer
Ja fa temps que l’amiloide-ß, el pèptid que forma les plaques que es troben envoltant les neurones en malalts d’Alzheimer, es considera el principal sospitós de desencadenar la mort neuronal i la consegüent degradació de les facultats mentals associada amb aquesta malaltia. Després d’anys d’un intens i complex treball enfocat al descobriment de fàrmacs per guarir l’Alzheimer, aquest any estava previst que finalitzessin tota una sèrie de tests clínics de fàrmacs destinats a bloquejar la formació de l’amiloide-ß en les neurones, que en cas de ser certa la hipòtesi que situa la formació d’aquest pèptid en l’origen de la malaltia, per fi podria obrir la porta a una medicació efectiva per a guarir-la.
La malaltia d’Alzheimer és una forma de demència en què milions de neurones van morint en sèries successives sense que de moment es coneguin les causes que desencadenen aquest fenomen. Els cervells afectats estan coberts amb unes plaques, oligòmers gomosos d’amiloide-ß formant fibriqes, que embussen l’espai intraneuronal. La majoria dels intents de desenvolupament de fàrmacs per a l’Alzheimer se centren a frenar la formació de l’amiloide-ß, malgrat que no és clar que aquest compost sigui el desencadenant del problema i no només una conseqüència.
L’emergència de l’amiloide-ß s’inicia quan la proteïna precursora amiloide (APP), una proteïna llarga, s’incrusta en la membrana ceqular de la neurona mentre aquesta s’està construint. En absència de la malaltia, un enzim anomenat å-secretasa retalla un fragment de l’APP per donar lloc a un fragment proteic necessari per al creixement de la neurona. En un cervell malalt un altre enzim, la å-secretasa, retalla un fragment diferent de l’APP deixant-hi un fragment d’amiloide-ß exposat, que posteriorment un tercer enzim, la å-secretasa, acaba separant. Un cop alliberades les molècules d’amiloide-ß, s’enganxen entre elles per a formar fibres insolubles que acaben formant les plaques que apareixen als cervells dels malalts d’Alzheimer. La part positiva d’aquest mecanisme és que és susceptible de ser atacat farmacològicament en diferents punts del procés. La part negativa és que és una tasca força difícil i que pot ser estèril si, al final, la presència d’amiloide-ß no és el desencadenant de la mort neuronal.
Els fàrmacs, en test clínic, es basen en una de les tres opcions següents: segrestar l’amiloide-ß un cop format, bloquejar la -secretasa, o bloquejar la ß-secretasa. Esperem que alguna d’aquestes vies confirmi la validesa de la hipòtesi de la formació d’amiloide-ß com a culpable de l’Alzheimer i que, per fi, la humanitat pugui disposar d’una nova sèrie de medicaments realment eficaços contra aquesta malaltia.
La cromatografia líquida d’ultra-alta pressió: una nova eina analítica per a accelerar la separació de mescles complexes
La cromatografia líquida d’alta resolució (HPLC, high performance liquid chromatography) és una tècnica de separació utilitzada de manera rutinària en pràcticament tots els laboratoris d’arreu del món que treballen en anàlisi química. Malgrat ser una eina extraordinàriament eficaç i versàtil, el temps per realitzar una separació d’una mescla complexa pot arribar a ser exasperant, especialment en l’entorn de la indústria farmacèutica, on sovint s’han de realitzar un elevat nombre de separacions en el menor temps possible. En l’actualitat, separar una mescla de compostos químics mitjançant HPLC pot tardar al voltant de 15 minuts per a una mescla relativament simple i fins a més d’una hora per a mescles més complexes. Per tal d’intentar reduir el temps d’espera, els darrers anys s’està introduint la cromatografia líquida d’ultra-alta pressió (UHPLC, ultra-high-pressure liquid chromatography), que pot arribar a reduir el temps de separació fins un 90%, depenent de la mescla i de la resolució que es desitgi.
Per tal d’accelerar el procés de separació, en la UHPLC es treballa amb columnes més curtes, que contenen partícules més petites i unes condicions de temperatura i pressió que donen lloc a unes condicions de flux que asseguren una separació òptima en el mínim temps possible. Si les dimensions de les partícules usades en HPLC se situen entre els 3 i els 5 mm, les que s’usen en UHPLC són sensiblement menors, amb diàmetres d’1,8 mm aproximadament. La mida reduïda d’aquestes partícules és la que fa necessari l’ús de pressions elevades que passen de les 400 atm usades en HPLC a pressions d’unes 1.000 atm.
Malgrat la reducció sensible de temps que pressuposa la UHPLC, l’augment de la pressió no està exempt de problemes. A part dels més estrictament tècnics (és molt complicat fabricar vàlvules que resisteixin unes 100.000 operacions a aquestes pressions sense que apareguin símptomes de fatiga dels materials), un dels problemes més evidents és l’escalfament que s’observa sobretot en el darrer tram de la columna. El problema d’aquest escalfament és que l’augment de temperatura que suposa pot afectar el procés de separació de maneres difícils de predir. Per tal d’evitar aquest efecte no desitjat s’està experimentant amb columnes més primes, que permetin una millor difusió de la calor generada, o en la substitució d’una columna contínua per un conjunt de trams de columna més curts que sumin la mateixa longitud que la columna original. A part de variar la pressió i les dimensions tant de la columna com de les partícules que formen la fase estacionària, s’està mirant d’optimitzar el procés substituint les partícules poroses usades actualment per partícules que només siguin superficialment poroses, formades per un nucli sòlid recobert d’un material porós, de manera que els anàlits no les puguin penetrar en profunditat i donin com a resultat pics cromatogràfics més estrets.