Los retos de la química en el siglo XXI

1. Los retos de la química en el siglo XXI Algo sobre futurología Andoni Garritz y Ronald Breslow

2. ¿De verdad Ronald Breslow es un coautor? La mayor parte de los retos de esta presentación fueron dis-cutidos por correo electrónico con Ronald Breslow, quien hacia 1999 los tenía como re-sultado de investigación, lue-go publicada por la National Academy Press: Beyond the Molecular Frontier: Challen-ges for Chemistry and Chemi-cal Engineering, NAP, Wash-ington, D.C., 2003. Sol Barer, Roald Hoffmann y Ronald Breslow, recipiendarios de la medalla “Heritage day-2006”.

3. Los retos de la química • El cambio de siglo y de milenio dieron mucho de qué hablar sobre el futuro de las ciencias. • Recogemos aquí algunas de las opiniones expresadas por otros respecto a lo que se espera que resuelva la química este nuevo siglo. • No hay ninguna garantía de que cualquiera de estas cuestiones pueda de verdad lograrse en estos cien años, pero están escritas como deseos dignos de alcanzarse.

4. Retos de la química medicinal • La química medicinal es una de nuestras ra-mas más exitosas, mediante la cual hemos producido los antibióticos y otros medicamen-tos que han llevado la esperanza de vida de 47 años en 1900 a por encima de los 75 años hoy. Sin embargo, todavía necesitamos agen-tes antivirales efectivos y nuevos antibióticos para enfrentar a lasbacterias resistentes.

5. Retos de la química medicinal • Necesitamos medicamentos para curar el cán-cer, prevenir los derrames cerebrales, atacar las enfermedades del corazón, el mal de Alz-heimer, la osteoporosis, la obesidad, los defec-tos genéticos, la esquizofrenia, la diabetes, la artritis y otros problemas.

6. Retos de la química medicinal • Requerimos mejores maneras de dispensar los medicamentos a sus blancos, incluyendo dispo-sitivos como un páncreas artificial que pueda detectar niveles de glucosa y añadir la cantidad necesaria de insulina. • Necesitamos materiales biocompatibles para reemplazos de órganos, así como para huesos y dientes artificiales.

7. Retos de la alimentación • Necesitamos productos químicos para la ali-mentación que preserven y mejoren nuestras dietas con seguridad incuestionable. • Requerimos el desarrollo de productos agro-químicos que mejoren aún más el rendimien-to de los cultivos.

8. Retos de la alimentación • Necesitamos el desarrollo de variantes genéticas de plantas que presenten resistencia a las plagas, a la es-casez de agua y de nutrientes. No hay duda de que la ingeniería genética jugará un papel en la alimentación de la población mundial en este siglo, aunque su adop-ción se enfrenta a otros retos en el camino, debido al miedo público (sobre todo en Europa) a la manipulación genética. Los organismos genéticamente modificados se encuentran en un periodo crítico actualmente, del cual habremos de salir por medio de la investigación acucio-sa de sus posibles impactos.

9. Retos sociales • Los problemas de hambrunas y de mala ali-mentación serán más controlables cuando detengamos el crecimiento de la población. En este punto la química habrá de contribuir con anticonceptivos femeninos y masculinos más eficientes y seguros.

10. Retos sociales • Vivir hasta la edad de 120 años no será inusual en este siglo. Tendremos que repensar cómo la vida hu-mana se organiza con cada vez más adultos mayores, cada vez más viejos. • En 1998 había 66 millones de personas con 80 o más años, una de cada 100 personas. Ese número se mul-tiplicará por seis hacia el año 2050, cuando alcanzará 370 millones de gentes, una de cada 24 personas ten-drá 80 o más años. Hacia 2050, ¡más de 2.2 millones de personas tendrán 100 o más años!

11. Retos sociales • Otro reto que habrá que encarar es dar igual-dad de oportunidades en química a las muje-res frente a los hombres. • Las necesidades de salud, educación, habita-ción, vestido y sustento, transporte y recrea-ción decorosos para una población todavía creciente, seguirá planteando la necesidad de producir mejores alimentos, medicamentos, materiales, telas, automóviles, etcétera.

12. Retos en materiales • Requerimos materiales estructurales mejo-rados, probablemente compositos basados en resinas o en cerámicas, que sean esta-bles a altas temperaturas y fácilmente ma-quinados. • Necesitamos materiales con propiedades eléctricas y ópticas útiles, incluyendo su-perconductores de alta temperatura. • Precisamos protección superficial que sea de verdad duradera y resistente (una pin-tura que dure 100 años)

13. Retos en materiales • Lananotecnología. Debemos estar preparados para preparar y manipular estructuras de dimensiones moleculares, tendiendo hacia la fabricación de com-putadoras de tamaño molecular, monitores realmen-te pequeños, dispositivos fotónicos y electrónicos, nanorresistores y nanocables, así como materiales de verdad resistentes a partir de nanotubos de car-bono. • Necesitamos entender la química de moléculas grandes, incluyendo biopolímeros, tan bien como comprendemos la química de pequeñasmoléculas.

14. Retos en energía • Precisamos desarrollar catalizadores selecti-vos, que nos permitan manufacturar productos útiles, incluyendo polímeros, sin producir basu-ra no deseada y sin emplear energía excesiva. • Necesitamos diseñar baterías baratas que ha-gan verdaderamente prácticos los vehículos eléctricos, baterías que sean fácilmente recar-gables y con alta energía por unidad de peso.

15. Retos en energía • Requerimos una manera de almacenar y trans-portar hidrógeno con seguridad, de tal forma que pueda ser utilizado en la celda de combus-tible de un automóvil, produciéndose vapor de agua como producto de la reacción. • Necesitamos aprender cómo concentrar y ma-nejar las basuras radiactivas de las plantas de energíanuclear.

16. Retos en energía • Es previsible que duran-te este siglo la fusión nu-clear controlada se con-vierta en una realidad y que compita y supere a la alternativa de la fisión nuclear. Otra alternativa promisoria la constituye el abaratamiento de la energía eólica y de la fo-tovoltaica. El reactor nuclear de fusión, previsto de ser construido en Cadarache, Francia, el cual se prevé que funcione hacia 2050.

17. Retos de la bioquímica • Una de las áreas que más impulso han tenido has-ta ahora es la que se refiere a la genómica y sus derivaciones. Los genomas de humano, de micro-organismos que afectan al humano, de plantas de importancia agrícola, y otros, han sido secuencia-dos o se encuentran en proceso de secuenciación. El haber secuenciado todo el genoma humano, abrió grandes perspectivas sobre la posibilidad de conocer los genes que intervienen en los procesos de desarrollo normal y patológicos.

18. Retos de la bioquímica • Es hora de empezar a aplicar el conoci-miento del genoma humano, para resol-ver problemas de enfermedades genéti-cas mediante la reparación del gen espe-cífico que las causa y, con la ayuda de la química, el diseño de nuevos fármacos hechos a la medida de pacientes indivi-duales y de sus enfermedades.

19. Retos de la bioquímica • El estudio de la expresión génica, sea como el transcrip-toma (mensajes derivados de los genes y que se expre-san en una condición fisiológica dada) o como el proteo-ma (proteínas que se sintetizan en una condición fisioló-gica dada) cobrarán cada vez más impulso en los si-guientes años. Una nueva variante, la metabolómica, se concentrará en estudiar los tipos de reacciones metabó-licas y productos sintetizados y acumulados en una con-dición fisiológica dada. Sólo así se podrá tener una ver-dadera integración entre genoma y funcionamiento celu-lar.

20. Retos de la bioquímica • Requerimos hacer sistemas químicos organiza-dos que imiten el funcionamiento de las células biológicas o que se desempeñen como máqui-nas diminutas. (La química se está moviendo de ser reduccionista, volviéndose cada vez más integracionista).

21. Retos de la bioquímica • Necesitamos aprender por qué las enzimas son tan efectivas, de tal manera que podamos dise-ñar catalizadores biomiméticos artificiales que funcionen tan bien como las mejores enzimas. • En la ciencia que subyace bajo estos objetivos prácticos, requerimos entender completamente la química de la vida, incluyendo la química del ce-rebro y de la memoria.

22. Retos de la química ambiental • Las manufacturas y productos químicos deben ser ambiental y biológicamente benéficos, nunca perjudiciales. • Requerimos insecticidas que no perjudi-quen a objetivos que no sea nuestra intención afectar, de ninguna manera.

23. Retos de la química ambiental • Debemos aprender cómo hacer productos, incluyendo refrigerantes, que sean esta-bles a lo largo de su vida, pero que se de-graden, de manera que no persistan en el ambiente o en los seres vivos. • Precisamos no cejar en el esfuerzo de re-constituir la capa de ozono en la estratos-fera.

24. Retos de la química ambiental • Requerimos atacar el problema del calenta-miento global del planeta, dependiendo me-nos de la energía proveniente de los com-bustibles fósiles. • El problema del suministro de agua potable a las grandes ciudades es muy grave y se irá poniendo cada día peor. Requerimos dejar de contaminar el agua líquida, así como aprender a descontaminarla en grandes can-tidades, y encontrar formas rentables de de-salinizar el agua de mar.

25. Retos en cómputo • Hay que construir transistores a escala molecular, pa-ra encoger las computadoras a la nanoescala. • Desarrollar métodoscomputacionales que, de manera realista, predigan las propiedades de compuestos desconocidos, incluyendo los mecanismos por los cuales participarán en reacciones. • Hacia esta área se orientarán los cursos de fisicoquí-mica del futuro, hacia el modelado y la dinámica mole-cular, así como hacia la visualización de propiedades.

26. Retos en cómputo • Requerimos métodos computacionales pa-ra predecir la estructura tridimensional de una proteína a partir de su secuencia de aminoácidos, de tal forma que la informa-ción que da la secuencia del genoma hu-mano pueda ser traducida a las estructu-ras proteicas que están codificadas.

27. Retos de síntesis • Precisamos desarrollar métodos sintéticos que nos permitan hacer todas las moléculas importantes con rendimientos razonables y empleando esquemas sintéticos compactos y poca energía, de tal manera que ningún com-puesto útil sea inaccesible para su síntesis práctica. (La química es una ciencia creativa, donde la síntesis de nuevos materiales es una actividad central).

28. Retos de síntesis • Requerimos perfeccionar las formas de estu-diar mecanismos de reacción, de tal manera de que observemos directamente el proceso y podamos diseñar catalizadores basados en nuestro conocimiento. • Necesitamos mejorar nuestras herramientas para determinar estructuras, de forma que no represente un reto la síntesis de pequeñas cantidades de materiales no cristalinos.

29. Retos de síntesis • Requerimos un mejor entendimiento de las reacciones que tienen lugar sobre intercaras y sobre superficies, en particular las reaccio-nes catalíticas. • Es de esperarse que en un futuro cercano se habrán desarrollado ya métodos prácticos para la preparación de cualquier tipo de com-puestos quirales.

30. Retos de la química interestelar • Requerimos extender nuestra visión química de cómo la vida pudo surgir espontáneamen-te sobre la Tierra o en cualquier parte. • Necesitamos entender la química que ocurre en el espacio interplanetario e interestelar, donde la espectroscopía es nuestra herra-mienta principal.

31. Un final de la futurología • Estos son algunos de los retos que la química va a encarar durante este siglo. Nuestro campo ha sido sorprendente en su capacidad de resolver proble-mas no más simples ni complejos que éstos. Sin embargo, hay una predicción más acerca del pro-ceso que puede hacerse con absoluta certidumbre: los químicos saldrán con invenciones y descubri-mientos que no están abarcados en una lista deobjetivos como ésta, y diremos: ¿Por qué nunca pensamos en eso?

32. Produzcamos embajadores • Tenemos acceso a un gran número de estudiantes en nuestros cursos de química: • ¡Hagámoslos embajadores entusiastas de la química!

33. AGRADECIMIENTOS • A Ronald Breslow de la Universidad de Columbia en NY, por permitirme analizar con él estos retos desde 1999 y por facilitarme sus acetatos de una conferencia plenaria en la BCCE-2002. • A Peter Atkins, Norman Greenwood y David Rice, por sus escritos “Comment 2000” en Education in Chemistry. • A los periodistas Baum y Gwynne por sus artículos en Chemical and Engineering News. • A Eusebio Juaristi, Lydia Cascarini, Norah Barba, Rosalin-da Contreras, Eduardo Bárzana y Jorge Vázquez por las ideas expresadas sobre el tema.