Models artificials per a la fotosíntesi
Model fotosintètic artificial que intenta combinar un sistema recol·lector de llum (complex de ruteni) amb un catalitzador per a la fragmentació de l’aigua (complex dinuclear de manganès)
El procés de la fotosíntesi presenta encara molts misteris per resoldre malgrat haver estat estudiat durant més d'un segle. Nombrosos científics intenten esbrinar com les plantes són capaces d'aprofitar la llum solar per a catalitzar la reacció de fragmentació d'una molècula d'aigua que inicia tot el procés de conversió d'energia en combustibles químics. El domini en condicions controlades de la reacció de fragmentació fotoquímica de l'aigua és clau en l'obtenció d'hidrogen i altres combustibles de fonts renovables, i el fet de poder-se desenvolupar usant catalitzadors de baix cost com els que es troben en el món vegetal representaria un avenç substancial en el camp de l'aprofitament de l'energia solar.
Entre els anys 2000 i 2004 es van obtenir estructures cristal·lines amb resolucions per sota dels 4Å del fotosistema II (FS-II), un complex gegantí format per vint proteïnes de membrana que conté els diferents pigments que actuen com a captadors de la llum solar. Aquesta energia és transportada cap al centre actiu de l'FS-II, on un catalitzador que conté quatre àtoms de manganès i un de calci s'encarrega d'aprofitar-la per a fragmentar dues molècules d'aigua i donar 4 electrons, 4 protons i 1 molècula d'oxigen que posteriorment intervenen en altres reaccions i acaben produint sucres que cobreixin les necessitats energètiques de la planta.
Les propietats magnètiques del centre actiu de l'FS-II han impedit, de moment, obtenir-ne una estructura amb la suficient resolució espacial per a poder comprendre amb detall el seu funcionament durant la fotofragmentació de l'aigua. Per aquest motiu, diversos investigadors han iniciat una via alternativa, la síntesi de catalitzadors fotosintètics artificials, amb la idea que estudiant aquests sistemes més simples s'arribi algun dia a explicar el mecanisme detallat de la fotosíntesi en els vegetals. De moment, s'estan assajant dues vies complementàries, la via orgànica, on s'usen exclusivament pigments orgànics com a anàlegs de les antenes captadores de fotons de l'FS-II, i la via inorgànica, on l'interès se centra més a desenvolupar un centre catalític sintètic capaç de fragmentar la molècula d'aigua.
Aquest any es va presentar un dels models més prometedors fins avui. Es tracta d'un compost híbrid que combina dos pigments orgànics que capten els fotons solars i un complex amb dos àtoms de manganès que catalitza la fragmentació de l'aigua. Aquests fragments s'uneixen a través d'un complex de ruteni que participa en la transferència de l'energia captada per les antenes cap al centre catalític. De moment, només s'ha aconseguit oxidar els àtoms de manganès a Mn3+, que no és capaç de catalitzar la fragmentació de l'aigua, però els científics esperen properament poder introduir en el sistema les modificacions necessàries per a oxidar el manganès fins a Mn4+ i amb això aconseguir la fotofragmentació de l'aigua en condicions suaus.
Grafè: el darrer material de la família dels ful·lerens
Imatge d’un fragment de grafè obtinguda mitjançant microscòpia de transmissió d’electrons (TEM) on s’aprecia l’estructura hexagonal d’aquest material a nivell atòmic. A la part inferior dreta, s’hi ha superposat un model geomètric de l’estructura per indicar la posició dels àtoms de carboni i les dimensions de l’enreixat
El descobriment d'una nova forma al·lòtropa del carboni, el ful·lerè C60, al final dels anys vuitanta va representar un avenç espectacular en la ciència de materials no solament per les seves propietats excepcionals sinó perquè va obrir les portes a la síntesi de nous materials com ara els nanotubs de carboni, per als quals s'estan desenvolupant una gran varietat d'aplicacions que van des del camp de la medicina al de l'electrònica.
La darrera incorporació al món dels materials formats per carboni és el grafè (capes de grafit aïllades de tan sols una capa atòmica de gruix). Malgrat que els anys setanta ja s'havia aconseguit dipositar epitaxialment monocapes de grafit sobre un material de suport, i que al final dels vuitanta ja es parlava conceptualment de capes de grafè com un dels constituents dels compostos d'intercalació de grafit, fins el 2004 es va creure que era físicament impossible obtenir una capa purament bidimensional de grafè aïllada. En uns experiments seminals, A. Geim i K. Novoselov, de la Universitat de Manchester, van demostrar que aquesta limitació no era certa en obtenir per primer cop monocapes de grafè aïllades a partir del procés, aparentment rudimentari, d'anar exfoliant una mostra de grafit macroscòpica mitjançant una cinta adhesiva i transferint aquestes capes posteriorment a un suport de diòxid de silici per a poder estudiar-ne les propietats. Arran del descobriment hi ha hagut una gran activitat en aquest camp, que, amb el perfeccionament de les tècniques d'obtenció de grafè i la seva posterior manipulació, ha permès disposar, aquest 2009, per primera vegada, de mos-tres macroscòpiques i suficientment pures per a poder-ne mesurar acuradament les propietats físiques i proposar aplicacions d'aquest sorprenent material, sobretot en la indústria electrònica.
Els estudis de les propietats elèctriques i mecàniques del grafè han mostrat que es tracta del material més resistent conegut fins a l'actualitat, amb una resistència a la fractura unes 200 vegades superior a la de l'acer. D'altra banda, des del punt de vista electrònic, s'ha trobat que el grafè es comporta de manera força diferent que els materials tridimensionals habituals. Intrínsecament el grafè és un semimetall o semiconductor de gap zero. La seva peculiar estructura electrònica implica una massa efectiva nul·la per als electrons i els forats, que fa que es comportin de manera relativista. Aquest fet té com a conseqüència un transport electrònic caracteritzat per una mobilitat dels portadors de càrrega de més de 15.000 cm-2V-1s-1, la més elevada coneguda fins al moment, que té com a resultat una resistivitat elèctrica de 10-6 Wcm, més baixa que la de la plata, el millor conductor conegut fins ara. A causa de la seva estructura bidimensional, el grafè combina aquestes propietats amb una excel·lent transparència òptica.
Per les seves característiques excepcionals és un nou material apte per a múltiples aplicacions, que van des del seu ús per a sensors capaços de detectar la presència d'una única molècula fins a la construcció de components electrònics com transistors o portes lògiques d'elevades prestacions. La conjunció de l'alta conductivitat elèctrica i la transparència òptica del material fa que sigui un candidat perfecte per a l'obtenció d'elèctrodes transparents per a aplicacions en pantalles de cristall líquid (LCD), pantalles tàctils, cel·les fotovoltaiques orgàniques o díodes emissors de llum orgànics (OLED). L'elevada flexibilitat i resistència mecànica de les capes de grafè signifiquen en aquestes aplicacions un gran avantatge amb relació a les tecnologies actuals basades en l'òxid d'indi i estany (ITO) que presenta problemes a causa de la seva fragilitat mecànica.
Una primera mirada als misteris del funcionament de l'spliceosoma
Un cop seqüenciat el genoma, l'any 2003, es va determinar que el nombre real de gens en l'Homo sapiens és de 20.000-25.000. Un nombre sorprenentment baix, sobretot si es compara la nostra complexitat biològica --al llarg de les diferents etapes de la vida els nostres teixits produeixen unes 150.000 proteïnes diferents-- amb la del nematode Caenorhabditis elegans, un cuc d'1 mm de longitud, amb un genoma format també per uns 20.000 gens.
Recentment es va arribar a la conclusió que la clau per a entendre el misteri de la mida reduïda del genoma humà en comparació amb el seu enorme proteoma es troba en l'spliceosoma, una gran maquinària híbrida formada per proteïnes i ARN que es troba present al nucli de cada cel·la humana. Així s'ha començat a entendre el funcionament a nivell molecular d'aquest catalitzador d'una gran complexitat que és l'encarregat de fragmentar l'ARN transcrit a partir de l'ADN i posteriorment empalmar (splicing) en una multitud de formes diferents aquests fragments per construir les cadenes d'ARN missatger, que són traduïdes finalment a proteïnes en el ribosoma.
Durant el 2009 es van presentar diversos estudis que donen a conèixer l'estructura d'importants parts de l'spliceosoma i que fan preveure que en un futur serviran per a comprendre el funcionament a nivell molecular d'aquesta peça clau per a la transcripció de la informació genètica en la complexitat biològica final d'un organisme. Com que l'spliceosoma és el responsable de multiplicar la quantitat d'informació codificada en el genoma i acaba donant la complexitat final del proteoma, es pot deduir que a l'origen de nombroses malalties, des de malformacions genètiques fins a diversos tipus de càncers, s'hi trobi un mal funcionament de l'spliceosoma, responsable final de l'obtenció de l'ARN missatger a partir del qual el ribosoma sintetiza proteïnes necessàries per a l'organisme.
De moment, se sap que l'spliceosoma humà té una mida d'uns 3 megadaltons i que és format per la unió de cinc ribonucleoproteïnes petites (U1, U2, U4, U5 i U6) amb més de 150 proteïnes diferents. Atès que la majoria d'aquestes proteïnes són extremament grans o que presenten seccions altament desordenades, són especialment difícils de cristal·litzar i, per tant, d'estudiar mitjançant difracció de raigs X. A més, hi ha les dificultats afegides que les cel·les produeixen una quantitat relativament petita de spliceosoma, aproximadament un 1% del pes en sec d'una cel·la, i que cal treballar sempre amb organismes pluricel·lulars per a extreure mostres, perquè els bacteris no tenen spliceosoma.