Francis en ¡Eureka!: Curiosidades sobre las abejas y su gusto por la cafeína

El audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, Onda Cero, lo puedes escuchar siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción libre para abrir boca.

Las abejas como las hormigas son los insectos sociales por excelencia. Se ha dicho que su comportamiento social es muy avanzado como si fueran muy inteligentes, ¿qué hay de verdad en esto? En realidad, el comportamiento eusocial de la colmena emerge del comportamientos egoísta e individual de cada abeja. La “inteligencia” colectiva de la colmena es un mito. Las abejas no saben que la colmena tiene una estructura social y actúan por instinto realizando acciones individuales que sólo dependen de su edad. En una colmena pueden existir hasta 80.000 obreras, 200 zánganos y una reina. Las funciones de las abejas obreras varían con la edad. Sus tres primeros días lo pasan como limpiadoras. Del tercer al décimo día ejercen funciones de niñeras alimentando a las larvas. A partir del décimo día se activan las glándulas abdominales productoras de cera y se comportan como constructoras. Del decimosexto al vigésimo día se encargan de almacenar el polen y el néctar que traen las obreras que han ido en busca de comida. A partir del vigésimo día, se convierten en soldados que protegen la entrada al nido y, después, durante el resto de sus seis semanas de vida, se convierten en abejas de campo que buscan comida. El comportamiento eusocial de las abejas emerge de este ciclo de vida de cada abeja obrera individual. Por cierto, hay más 19.200 especies de abejas y la mayoría son insectos solitarios; sólo un 5% de las especies de abejas son sociales, como la abeja melífera europea (Apis mellifera), la más común.

Se ha hablado mucho de la perfección de los panales, como si las abejas fueran excelentes matemáticas. ¿Se trata también de un mito? La teoría de la evolución garantiza que una habilidad adquirida durante cientos de millones de años acaba con un resultado óptimo. El diseño de los paneles maximiza el espacio útil, minimizando el consumo de cera. El mito de que el diseño geométrico de los paneles es perfecto nació con el error de un matemático. Las abejas cierran cada celda hexagonal formando un vértice de tres caras planas que son rombos idénticos. El matemático Koenig calculó en 1739 que el valor óptimo de los ángulos mayor y menor de estos rombos debía ser 109º 26′ y 70º 34′, cuando las medidas experimentales indicaban que las abejas usaban valores algo diferentes, 109° 28’ y 70° 32’. Estudios posteriores mostraron un error en el cálculo de este matemático (que había usado unas tablas de logaritmos que contenían un error). El cálculo correcto mostraba que las abejas tenían razón y su diseño era perfecto. En realidad lo que era imperfecto era el cálculo de este matemático del siglo XVIII.

Cambiemos de tema. Hablando de abejas, se ha observado una reducción en el número de abejas en todo el mundo, ¿se saben ya las causas?. El llamado síndrome de despoblamiento de las colmenas ha diezmado las poblaciones de abejas de Estados Unidos y Europa en la última década. En España, el síndrome empezó a observarse a principios del año 2000, pero se hizo evidente a partir de 2004. En el año 2005, un equipo de investigadores españoles del Centro Apícola Regional de Marchamalo (Guadalajara) sugirió que un hongo parásito de las abejas, llamado Nosema ceranae, podría ser la causa del despoblamiento en España; existe un tratamiento farmacológico contra este hongo, un antibiótico llamado fumagilina. Pero hoy en día se cree que el síndrome de despoblamiento de las colmenas es un fenómeno multifactorial en el que intervienen múltiples causas, además de las epidemias de parásitos, también influye el uso de ciertos pesticidas e incluso podría influir el cambio climático. En la actualidad este síndrome, aunque es una gran amenaza para la polinización de los cultivos y provoca enormes pérdidas económicas, aún no tiene una explicación convincente aceptada por todo los expertos.

Esta semana se ha publicado en la prestigiosa revista Science un curioso artículo sobre la relación entre la cafeína y las abejas. ¿Qué es lo que se ha descubierto? Los aficionados a ir de camping habrán observado que a las abejas les encantan las latas de refrescos de bebidas con cafeína. Muchas plantas contienen alcaloides como la cafeína y la nicotina porque su sabor amargo disuade a los herbívoros, ya que en altas dosis son sustancias tóxicas. Las plantas compiten entre sí para ser elegidas por los insectos polinizadores desplegando diferentes señales visuales (como flores de vivos colores) y olfativas (como flores con olores agradables). A muchas personas nos gusta tomar café y productos con cafeína porque a bajas dosis es “gratificante” y “estimulante” ya que mejora el rendimiento cognitivo y la memoria. Un grupo de investigadores británicos liderados por el profesor Wright, del Instituto de Neurociencia de la Universidad de Newcastle, han descubierto que el néctar de algunas flores (como las del cafeto y algunos cítricos) contiene cafeína porque mejora la memoria de recompensa de las abejas. Las abejas recuerdan más y mejor las flores cuyo néctar contiene una pequeña dosis de cafeína, a pesar de tener un ligero sabor amargo.

El artículo técnico es G. A. Wright et al., “Caffeine in Floral Nectar Enhances a Pollinator’s Memory of Reward,” Science 339: 1202-1204, 8 Mar 2013; recomiendo leer también a Lars Chittka, Fei Peng, “Caffeine Boosts Bees’ Memories,” Science 339: 1157-1159, 8 Mar 2013.

Cómo han realizado sus experimentos estos investigadores británicos. En este estudio se han utilizado técnicas de aprendizaje con refuerzo, como hacía el ruso Pavlov con sus perros; los oyentes recordarán que los perros de Pavlov escuchaban una campanilla cuando se les daba de comer y más tarde se ponían a salivar con sólo escuchar la campanilla. En el nuevo estudio, estos investigadores británicos han entrenado a las abejas para asociar el olor de las flores con una recompensa (una gota de sacarosa). Cuando la gota de azúcar contiene una pequeña dosis de cafeína, las abejas recuerdan el olor de la flor durante más tiempo y con mayor intensidad. Según este estudio, la cafeína refuerza las conexiones sinápticas entre las neuronas de la cabeza de la abeja que son responsables de los recuerdos a largo plazo de los aromas de las flores.

Cómo actúa la cafeína para reforzar las memoria de las abejas según estos investigadores británicos. El profesor Wright y sus colegas creen que los efectos observados de la cafeína en la memoria a largo plazo de las abejas se deben a que bloquea los receptores de un neurotransmisor llamado adenosina. Los receptores olfativos de las abejas se encuentran en sus antenas y están conectadas con unas neuronas llamadas lóbulos antenales. Estas neuronas a su vez están conectados con otras neuronas llamadas células de Kenyon que están en una región de su cabeza de la abeja llamada cuerpo pedunculado. La cafeína aumenta la excitabilidad de las células de Kenyon y refuerza las sinapsis químicas que utilizan como neurotransmisor la acetilcolina; hay que recordar que todas las mañanas nos despierta una lluvia de acetilcolina en nuestro encéfalo. La cafeína hace que nos mantengamos despiertos y no nos entre sueño porque es una antagonista de la adenosina, que es un neurotransmisor que relaja la actividad neuronal produciendo la sensación del sueño. En las abejas, la cafeína refuerza las conexiones sinápticas entre las células de Kenyon y las neuronas olfativas activadas por un olor floral.

En este blog también puedes leer “La cafeína en el néctar de las flores mejora la memoria olfativa de las abejas,” 8 marzo 2013.

Lo dicho , si quieres escuchar el audio, sigue este enlace.

La cafeína en el néctar de las flores mejora la memoria olfativa de las abejas

Los insectos polinizadores son atraídos por el sabor del néctar, que además de azúcares también contiene sustancias como la cafeína. Un nuevo artículo en Science afirma que la cafeína potencia la respuesta de las neuronas asociadas al aprendizaje olfativo y a la memoria de las abejas, actuando como un receptor antagonista de la adenosina. Aunque la cafeína tiene cierto sabor amargo, no repele a las abejas, todo lo contrario les hace recordar con más fuerza el “buen” sabor del néctar de las flores que contienen esta sustancia (como los cafetos y algunos cítricos). Para los humanos la cafeína es tóxica a altas dosis, pero a bajas dosis es “gratificante” y mejora el rendimiento cognitivo y la memoria. Me ha sorprendido bastante descubrir que estos efectos también se observan en las abejas. Quizás otros alcaloides y otras sustancias con actividad neurofarmacológica, además de repelentes para ciertos insectos, también jueguen un papel importante en la respuesta de sus polinizadores. El artículo técnico es G. A. Wright et al., “Caffeine in Floral Nectar Enhances a Pollinator’s Memory of Reward,” Science 339: 1202-1204, 8 Mar 2013. Nos cuentan muchos detalles curiosos sobre las abejas Lars Chittka, Fei Peng, “Caffeine Boosts Bees’ Memories,” Science 339: 1157-1159, 8 Mar 2013.

Por qué las baterías mantienen un potencial casi constante hasta que se descargan del todo de forma brusca

El término logarítmico en la ecuación de Nernst de la electroquímica permite entender por qué el voltaje de una batería se mantiene casi constante mientras se descarga y cae rápidamente al final (de ahí que muchos tengan miedo a ver el mensaje “batería baja” en un dispositivo electrónico pues indica que muy pronto dejará de funcionar). Para una pila galvánica con electrodos de hierro como cátodo, Fe³⁺ + e⁻ ⇄ Fe²⁺ (E⁰=0,770 V), y electrodo de cobre como ánodo, Cu²⁺ + e⁻ ⇄ Cu⁺ (E⁰=0,158 V), el potencial de Nernst en el cátodo es E=E⁰+α ln (A_Fe³⁺/A_Fe²⁺), y en el ánodo E=E⁰+α ln (A_Cu²⁺/A_Cu⁺); como muestra la figura (para el cátodo), la presencia del logaritmo hace que el valor de E (potencial del electrodo expresado en voltios) sea casi igual a E⁰ (potencial normalizado del electrodo) salvo en los momentos finales de la descarga. El valor de la constante es α=RT/(nF), donde R es la constante universal de los gases, T es la temperatura absoluta en Kelvin, n es la cantidad de electrones transferidos en la reacción, F es la constante de Faraday. Nos lo cuenta Garon C. Smith, Md. Mainul Hossain, Patrick MacCarthy, “Why Batteries Deliver a Fairly Constant Voltage until Dead,” Journal of Chemical Education 89: 1416−1420, 2012.

Carnaval Química: El análisis de una obra de Picasso mediante tecnología de rayos X revela que utilizó pintura Ripolín

Hay obras de Pablo Picasso pintadas con ripolín. Este término tiene dos acepciones: “ripolín” es un pigmento blanco producido a base de caseína (leche) usado por los pintores franceses de principios del s. XX y “Ripolín” es el nombre de una compañía francesa que fabricaba pintura plástica a base de piroxilina para uso casero que nació en 1897 (en Francia fue tan popular que “ripolín” es sinómino de esmalte para pintar a brocha gorda). ¿Utilizó Picasso el esmalte Ripolín en sus obras? Los historiadores del arte parece que no se ponen de acuerdo, por ello el Art Institute de Chicago ha solicitado al Argonne National Laboratory que desvele el misterio. Han tomado cuatro muestras del tamaño de la punta de un alfiler de un cuadro de Picasso (“Naturaleza muerta con tres peces, una morena y una lima sobre fondo blanco,” 28 sep. 1946) y han verificado que está pintado con Ripolín en lugar de “ripolín” (este último obtenido de un tubo histórico de la marca fancesa Lefranc). Saber que Picasso fue uno de los primeros pintores en utilizar en sus obras pintura de brocha gorda ha requerido el uso de un sincrotrón (fuente de rayos X) único en el mundo, llamada Hard X-Ray Nanoprobe (nanosensor de rayos X duros), diseñado para el desarrollo de nuevos materiales de alto rendimiento. El artículo técnico es Francesca Casadio, Volker Rose, “High-resolution fluorescence mapping of impurities in historical zinc oxide pigments: hard X-ray nanoprobe applications to the paints of Pablo Picasso,” Applied Physics A, Published online 24 Jan 2013. Me he enterado vía Tona Kunz, “High-energy X-rays shine light on mystery of Picasso’s paints,” EurekAlert!, 6 Feb 2013.

Mesa Redonda: La ciencia y los medios de comunicación

José Antonio López-Guerrero, profesor de microbiología de la UAM y divulgador científico (más conocido como JAL), junto a Carlos Elías, químico y catedrático de periodismo de la Universidad Carlos III, y Manuel Seara-Valero, biólogo y jefe del Área de Sociedad de RNE, intervienen en una mesa redonda sobre Ciencia y Medios hoy lunes a las 18:00 horas en el Salón de Actos del Edificio del CSIC, C/ Serrano, 113, Madrid. La mesa redonda será transmitida vía streaming en este enlace. Recomiendo a todos los que tengan la oportunidad de ir en persona a disfrutar con la charla y, por supuesto, a quienes no la tengan a disfrutarla vía streaming. La mesa redonda forma parte del III Curso de Divulgación: Los avances de la química y su impacto en la sociedad.

Espectacular vídeo de cómo un bacteriófago T7 infecta a una bacteria E. coli

Ian Molineux (Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad de Texas en Austin) y sus colegas han logrado visualizar mediante criotomografía electrónica cómo un virus T7 camina por la superficie de una bacteria E. coli, la reconoce, se fija en su superficie y penetra a través de su membrana doble fosfolipídica. El virus T7 tiene una especie de antenas plegadas en su superficie que es capaz de desplegar en la membrana celular para caminar sobre ella y encontrar un lugar óptimo para la infección. Tras infectar a la bacteria con su ADN, el tubo de inyección colapsa y la membrana de la célula infectada se sella. El artículo técnico es Bo Hu, William Margolin, Ian J. Molineux, Jun Liu, “The Bacteriophage T7 Virion Undergoes Extensive Structural Remodeling During Infection,” Science 339: 576-579, 1 February 2013 (el artículo ya apareció online el 10 de enero). La información suplementaria (de acceso gratuito) no tiene desperdicio.

Carnaval de Química: Blogueros que replican reacciones químicas publicadas

El bloguero científico suele ser considerado un divulgador pasivo. Sin embargo, algunos blogueros toman un papel activo verificando y/o replicando los resultados científicos y técnicos que comunican en sus blogs. Esta labor se suele asociar a los blogueros que son ingenieros (los informáticos son los que lo suelen tener más fácil). El bloguero See Arr Oh (no quiere revelar su nombre verdadero) y varios colegas han iniciado un nuevo blog, llamado Blog Syn, cuyo objetivo es reproducir reacciones químicas publicadas en la literatura científica. La idea es validar los protocolos de laboratorio publicados en artículos científicos. Nos lo cuenta Katharine Sanderson, “Bloggers put chemical reactions through the replication mill. Online project seeks crowd-sourced help to reproduce chemists’ published results,” Nature News, 21 January 2013.

Fotografian un haz de siete moléculas de ADN suspendido entre dos micropivotes

Esta fotografía obtenida con un microscopio electrónico de transmisión (TEM) muestra una fibra formada por un haz de siete moléculas de ADN en una configuración 1+6, un ADN central rodeado de 6 ADN en una distribución hexagonal; todos tienen la configuración ds ADN lineal (ds λ-DNA config. A). Para lograr esta fotografía electrónica han suspendido el haz de moléculas de ADN entre dos micropivotes de silicio y han hecho un agujero entre ellos por el que ha penetrado el haz de electrones del microscopio. Todo un alarde técnico para una foto que dejará frío a muchos, acostumbrados a ver reconstrucciones 3D de la molécula de ADN átomo a átomo. En esta fotografía la molécula de ADN se intuye (no me atrevo a decir que se ve) en los lugares donde apuntan las flechitas rojas, colocadas para ilustrar la periodicidad del enrollamiento de una de las moléculas de ADN; las flechitas rojas están separadas por 2,7 ± 0,2 nm, cada molécula de ADN enrollada tiene un diámetro de unos 8 nm y el haz 1+6 moléculas de ADN tiene unos 19 nm. El artículo técnico es Francesco Gentile et al., “Direct Imaging of DNA Fibers: The Visage of Double Helix,” Nano Letters, ASAP Nov. 22, 2012.

Observan en tiempo real cómo funciona una batería de litio en la escala nanométrica

Diagrama de fases Fe-F-Li (izda) e ilustración esquemática (dcha) de la propagación del frente de la reacción química a través de una nanopartícula de FeF2. (C) Nature Communications

Seguro que tienes muchas baterías de litio en casa y sabes bien que su vida útil es bastante corta (con recargas diarias aguantan solo un par de años). En muchas aplicaciones (como los automóviles eléctricos) se necesita que tengan una vida útil mucho más larga (al menos una década). Para desarrollar las baterías de litio del futuro es necesario comprender cómo funcionan los electrodos en la nanoescala. Gracias a una nanocelda electroquímica y un microscopio electrónico de transmisión se ha podido observar el transporte de los iones de litio en el electrodo en tiempo real durante la descarga y la recarga. El electrodo de la celda está formado por nanopartículas de FeF₂ de unos 10-20 nm de diámetro depositadas sobre una fina capa de carbono; el transporte del litio por la superficie provoca la formación de una capa exterior de nanocristales de LiF y de átomos de Fe de unos 1-3 nm de grosor. Las imágenes en tiempo real permiten ver los detalles de este proceso, que dura solo unos pocos minutos, y cuya morfología recuerda a una descomposición espinodal. La figura que abre esta entrada ilustra la difusión de los iones de litio con carga positiva a través de la superficie de la nanopartícula de FeF₂ y la formación de un frente (como el de un fuego en un monte) que barre rápidamente toda la superficie; una vez barrida la superficie, el proceso ocurre hacia el interior, pero de forma mucho más lenta, capa a capa, hasta alcanzar un grosor de unos pocos nanómetros. Este estudio de Feng Wang (BNL, Brookhaven National Laboratory, NY, EEUU) y sus colegas permitirá conocer con sumo detalle el transcurso de las reacciones físico-químicas de los iones de litio en los electrones, lo que se espera que permita optimizar el funcionamiento de las baterías. El artículo técnico es Feng Wang et al., “Tracking lithium transport and electrochemical reactions in nanoparticles,” Nature Communications 3: 1201, 13 Nov 2012 [copia gratis].

Unas sencillas reglas permiten obtener la conformación terciaria de una proteína a partir de la secundaria

Uno de los problemas más importantes del s. XXI es el problema del plegamiento de proteínas, determinar la estructura tridimensional (conformación terciaria) de una proteína a partir del listado de sus aminoácidos (o de su código genético). Esta estructura nativa es única para la mayoría de las proteínas, determinando en gran parte su función bioquímica (la geometría determina la función). Se ha publicado en Nature un artículo que propone los principios básicos y las reglas fundamentales que controlan el plegamiento a partir de la estructura secundaria de las proteínas (las hélices α y las hojas β). Estos principios podrían usarse para diseñar nuevas proteínas que se plieguen de la forma deseada, lo que podría tener enormes aplicaciones en biología sintética. Nos lo cuenta Birte Höcker, “Structural biology: A toolbox for protein design,” Nature 491: 204–205, 08 November 2012, que se hace eco de Nobuyasu Koga, Rie Tatsumi-Koga, Gaohua Liu, Rong Xiao, Thomas B. Acton, Gaetano T. Montelione, David Baker, “Principles for designing ideal protein structures,” Nature 491: 222–227, 08 November 2012.

De Juana la Loca hasta las baterías de litio viajando por algunos carnavales de ciencias

Doña Juana I de Castilla y Aragón (1479-1555), Juana la Loca, Reina Propietaria del trono de España, fue la reina más poderosa de su tiempo, aunque nunca gobernó. Su padre, su esposo y más tarde su propio hijo afirmaron que estaba loca, mientras muchos nobles castellanos y los comuneros pretendían que dicha locura era pura invención de quienes querían usurparle el trono. Juana fue “internada” en Tordesillas, pues el confinamiento era el tratamiento oficial para la locura en su época. Sin embargo, todos los hijos de Juana, esposas y esposos de estos, incluso sus nietos ya en edad adulta, sobrinos y sobrinas, visitaban Tordesillas a menudo y le profesaban respeto, admiración y cariño. Si se tratara de una mujer alienada, celosa y delirante sería difícil imaginar de qué modo hubiera podido crear las condiciones de esa unión familiar alrededor de su persona, por tantas generaciones y ramas familiares. La leyenda de la “locura de amor” que Juana profesaba por su marido, Felipe “el Hermoso,” nació cuando Juana fue heredera legítima del trono de Castilla, tras varias muertes inesperadas, entre ellas la de su hermano Juan y su hermana Isabel. Con anterioridad no hay ninguna documentación al respecto. La salud “oficial” de Juana siempre osciló según las necesidades políticas.  Además, como en la Edad Media la locura era un “vicio,” Juana ha pasado a la historia como mujer lujuriosa, dominada por la desesperación, carente de prudencia y rebelde. Nos lo cuenta Begoña Matilla, “El mito de la Reina Juana: ¿“la Loca”?“

Pensar la locura de Juana desde la óptica del saber actual, nos induciría a error. Juana fue una mujer moderna para su tiempo que logró, desde las armas que las mujeres podían esgrimir en los inicios de la Edad Moderna, no perder su titularidad real por la que luchó con uñas y dientes, y hacer posible el gobierno de sus descendientes. Juana organizó estrategias políticas para asegurar la sucesión legítima de su hijo Carlos al trono, como esquivar la voluntad paterna, rompiendo todos los códigos de la época al no volver a casarse después de enviudar, a pesar de las muchas presiones recibidas. Además, cuando los Comuneros se alzaron contra Carlos V y la liberaron de su encierro, Juana logró esquivar sus pretensiones, que de facto, hubieran desheredado a Carlos. Gracias a ella, los Austrias ganaron la partida del poder en España.

La imagen que mucha gente tiene de Juana está moldeada por la película “Juana la loca” (2001) de Vicente Aranda, “una explosiva historia de amor” con más erotismo que precisión histórica, remake de ”Locura de amor” (1948) de Juan de Orduña. Pilar López de Ayala interpreta el papel de una neurótica “loca de amor” que le permitió obtener un Goya. La imagen de Juana I que ofrece esta película me recuerda a una psicosis maníaco-depresiva o transtorno bipolar. Su tratamiento actual, basado en el carbonato de litio, será el leitmotiv de esta entrada, cuyo objetivo era superar el reto de los 7 carnavales lanzado por José Manuel López Nicolás (@ScientiaJMLN) en Twitter y superado por él mismo en su blog Scientia. No sé si lo he conseguido, pero no importa. Me ha servido para aprender muchas cosas sobre historia que no sabía. Espero que tú también disfrutes con mi resumen.

El dilema del prisionero, la cooperación molecular y el origen de la vida

El dilema del prisionero de Tucker, un juego de suma no nula, demuestra que la no cooperación, el egoísmo puro y duro, resultado del equilibrio de Nash, puede ser la mejor solución de muchos problemas. Hay variantes del juego con la conclusión opuesta, en las que la cooperación es la solución de equilibrio. Hay moléculas orgánicas por doquier en el universo, sin embargo, el origen de la vida en la Tierra sigue siendo aún un gran misterio. Cómo un conjunto de moléculas orgánicas inanimadas se autoorganizó para dar lugar al primer ser vivo. Nilesh Vaidya (Universidad Estatal de Portland, Oregon, EEUU) y sus colegas sugieren en Nature que la cooperación entre las moléculas pudo contribuir al origen de la vida. En cierto sentido, estas ideas son opuestas a la teoría del gen egoísta de Richard Dawkins, ya que el egoísmo, igual que en el dilema del prisionero, no conduce a la solución óptima. El nuevo artículo muestra ejemplos de redes de moléculas de ARN que se ensamblan entre sí gracias a la cooperación molecular, lo que sugiere que ésta puede ser tan antigua como la vida misma. Como es obvio, sus ideas se enmarcan dentro de la hipótesis del “mundo de ARN” que sugiere que la biología primordial carecía de ADN y de proteínas, siendo el ARN responsable tanto de la herencia como del metabolismo. El nuevo artículo es realmente sugerente, aunque todavía queda mucho para que resolvamos el misterio del origen de la vida. Nos lo cuentan James Attwater & Philipp Holliger, “Origins of life: The cooperative gene,” Nature, Published online 17 October 2012, que se hacen eco del artículo técnico de Nilesh Vaidya, Michael L. Manapat, Irene A. Chen, Ramon Xulvi-Brunet, Eric J. Hayden & Niles Lehman, “Spontaneous network formation among cooperative RNA replicators,” Nature, Published online 17 October 2012 (recomiendo a los biomatemáticos echar una ojeada al modelo matemático que aparece en la Información Suplementaria del artículo).

El cociente isotópico de zinc en las rocas lunares y el origen de la Luna

Proceso hipotético de formación de la Luna tras el impacto de un cuerpo celeste contra la Tierra.

El rocas lunares de origen magmático que trajeron las misiones Apolo son más ricas en isótopos pesados del zinc (su cociente  cociente ⁶⁶Zn/⁶⁴Zn es mayor) que las rocas similares de la Tierra, Marte y meteoritos primitivos. Este resultado, tan sencillo en apariencia, se acaba de publicar en Nature. El nuevo artículo afirma que esta diferencia está motivada porque la Luna se formó tras un enfriamiento rápido durante el cual una gran cantidad de los volátiles de menor masa se evaporaron en el espacio; en cosmoquímica, se llaman elementos volátiles a los que se condensan a temperaturas menores de 1000 ºC, como el zinc. Este nuevo resultado es una prueba firme de que la Luna se formó hace unos 4500 millones de años tras el impacto de un cuerpo celeste del tamaño de Marte que colisionó con la Tierra joven. Realmente sorprende que una prueba tan sencilla no haya sido publicado hace décadas. Nos lo cuenta Tim Elliott, “Planetary science: Galvanized lunacy,” Nature 490: 346–347, 18 October 2012, que se hace eco del artículo técnico de Randal C. Paniello, James M. D. Day, Frédéric Moynier, “Zinc isotopic evidence for the origin of the Moon,” Nature 490: 376–379, 18 October 2012.

Composición relativa de isótopos de zinc.

Lo sorprendente de este artículo es que la diferencia entre el cociente de concentraciones de isótopos de zinc entre la Luna y los otros cuerpos estudiados es de apenas un 5 ‰, pero indica que la evaporación de volátiles en la Luna fue rápida y a escala planetaria, en lugar de lenta y localizada en ciertas regiones. En la ciencia muchas veces una pequeña pista es una eviencia que da mucha información sobre un suceso muy complicado.

XVII Carnaval Biología: Nuevo avance en la biofísicoquímica de la fotosíntesis en las plantas

Lo primero, te recomiendo ver el Discurshow “Protón” de Xurxo Mariño y Vicente de Souza, aunque no mencionen la fotosíntesis, en la que el protón tiene un papel fundamental. La fotosíntesis transforma la luz del Sol en energía química a partir de dos moléculas de agua, que se descomponen en una molécula de oxígeno O₂, junto a cuatro protones (núcleos de hidrógeno o iones H⁺) y cuatro electrones. La fotosíntesis en cianobacterias, algas y plantas se denomina fotosíntesis oxigénica y se basa en el llamado sistema fotosintético tipo-II, o fotosistema II (PSII); la secuencia de pasos de esta reacción bioquímica se llama ciclo de Kok (1970) y está catalizada por un complejo Mn₄Ca, formado por cuatro átomos de manganeso y uno de calcio. Gracias a las técnicas de espectroscopia se conoce bastante bien su funcionamiento en las escalas de picosegundos, con algunos detalles incluso en la escala de femtosegundos. La reacción química global es 4 Y_Z^(ox) + 2 H₂O → 4 Y_Z^(red) + 4 H⁺ + O₂, donde la absorción de fotones con una longitud de onda alrededor de 680 nm oxida cuatro moléculas de tirosina, Y_Z^(ox), que actúan a su vez como oxidantes de cuatro moléculas de agua; en este proceso 4 electrones del complejo Mn₄Ca se transfieren a las cuatro tirosinas, resultando cuatro Y_Z^(red), mientras que cuatro protones H⁺ son eliminados del complejo MMn₄Ca mediante un proceso de desprotonización (la figura de arriba, parte derecha, muestra los pasos del ciclo de Kok y sus escalas de tiempo). Un nuevo artículo publicado en PNAS ha estudiado en detalle el proceso de transferencia de electrones y protones, rellenando algunos huecos en nuestro conocimiento de esta interesante reacción bioquímica. Hace poco un lector de este blog me pedía que le describiera los detalles cuánticos de la fotosíntesis. Viendo las figuras de esta entrada se puede ver que para entenderlos hay que ser un experto en biofísicoquímica cuántica y yo no lo soy. Aún así, los expertos disfrutarán el artículo de André Klauss, Michael Haumann, Holger Dau, “Alternating electron and proton transfer steps in photosynthetic water oxidation,” PNAS 109: 16035-16040, October 2, 2012.

Entrar en detalles técnicos sería meterme en camisa en once varas, pero quizás conviene poner un ejemplo del nivel de detalle con el que conocemos estas reacciones químicas. Por ello, incluyo aquí esta figura que muestra uno de los pasos del ciclo clásico de Kok de oxidación fotosintética del agua, el paso S₂ → S₃. Se muestra el complejo Mn₄CaO₅, la tirosina con actividad redox (Tyr₁₆₁) y los grupos más importantes que rodean a los enlaces de hidrógeno en esta reacción. Los aminoácidos que se destacan forman parte de la subunidad D1 del PSII, con la excepción e CP43–Arg₃₅₇. Las moléculas de agua se indican con esferas rojas, los enlaces de hidrógeno con línea a trazos y los protones son esferas grises. La retícula tridimensional en gris representa el complejo de moléculas de agua que incluye 4 H_xO en la primera esfera de coordinación del manganeso (Mn4), así como el calcio (Ca) y las tres moléculas de agua de la segunda esfera de coordinación. El primer paso en esta reacción (“1^st” en la figura) ocurre cuando han pasado menos de 100 ns tras la absorción del fotón y la oxidación de la clorofila primaria del PSII (P680); en este paso Tyr₁₆₁ (Y_Z)  es oxidada por P680⁺. La formación de Y_Z^(ox) produce un reordenamiento de la red de enlaces de hidrógeno (que se completa en menos de 1 µs), conduciendo a la transferencia de un protón a His₁₉₀, desprotonizando una molécula de agua en el complejo mostrado en la retícula tridimensional gris. En el segundo paso de esta reacción (“2^nd” en la figura), el complejo Mn/Y_Z pierde un protón en alrededor de 30 µs y se produce la vacante de un protón en el complejo de agua. En el tercer y último paso (“3^rd” en la figura), en alrededor de 300 µs, la oxidación del manganeso se acopla al paso de transferencia de un protón que ha creado una vacante en el complejo del agua.

Los mecanismos moleculares de las reacciones (foto)químicas del fotosistema II (PSII) se ha estudiado desde los años setenta y se conocen con bastante detalle. La estructura del PSII se determinó por difracción de rayos-X en el año 2004 y contiene unas 20 subunidades proteicas, conocidas como PsbA-Z, en función del nombre de los genes que las codifican, además de un conjunto de cofactores como son las clorofilas (Chl), feofitinas (Phe), carotenoides, hierro, plastoquinonas, complejo de iones Mn (Mn4) y los iones Ca, Cl y HCO. La masa molecular aproximada del PSII es de 320 kDa. Los interesados en más detalles técnicos (en español) pueden recurrir, por ejemplo, al capítulo 2 de la tesis doctoral de Mónica Balsera Diéguez, “Análisis estructural de la proteína extrínseca PsbQ del fotosistema II de plantas superiores,” Universidad de Salamanca, 2004.

Esta entrada participa en el XVII Carnaval de Biología, organizado este mes por el blog “Pero esa es otra historia y debe ser contada en otra ocasión,” cuyo autor @Ununcuadio es buen seguidor de mi blog.

Juguemos a las pitonisas, ¿quiénes ganarán los Premios Nobel que se anunciarán la semana que viene?

Alfred Nobel (1833-1896).

Adivinar los ganadores del Premio Nobel es como adivinar la evolución del mercado de valores, los expertos erran tanto como los legos. La dificultad principal es que hay más personas que merecen el premio que las que pueden recibirlo. Ya os comenté las “predicciones de Thomson Reuters para los Premios Nobel de 2012,” 22 septiembre 2012. Lo que parece claro es que el bosón de Higgs requiere un Premio Nobel de Física, pero que este año no le será concedido pues las nominaciones acabaron en febrero, antes de su descubrimiento; si Peter Higgs fue nominado para el premio de este año, no lo sabremos hasta dentro de 50 años, cuando se hagan públicas todas las nominaciones. Aún así, también parece claro que este año los ganadores disfrutarán de menos dinero que el año pasado, pues la Fundación Nobel rebajó el dinero del premio en un 20 por ciento hasta los 8 millones de coronas suecas (unos 0,93 millones de euros).

Premio Nobel de Medicina 2012 (el lunes 8 saldremos de dudas): Los japoneses Kazutoshi Takahashi y Shinya Yamanaka merecen el Nobel por haber descubierto las células iPS (células madre pluripotentes inducidas), es decir, cómo revertir el proceso de diferenciación celular en los mamíferos y cómo reprogramar células ya diferenciadas para devolverlas al estado de las células pluripotentes. Su trabajo supone un importante avance para la medicina regenerativa. Aunque el premio Nobel de 2007 fue concedido a un tema parecido, la producción por ingeniería genética de ratones knockout, creo que el trabajo de Takahashi y Yamanaka merece un nuevo premio.

Premio Nobel de Física 2012 (el martes 9 saldremos de dudas): Los suizos Michel Mayor y Didier Queloz merecen el Nobel por haber descubierto el primer planeta extrasolar en 1995, llamado 51 Pegasi b. A día de hoy se conocen 839 planetas en 662 sistemas planetarios y este número sigue creciendo día a día (más aún, la búsqueda de exoplanetas está de moda gracias al satélite Kepler de la NASA).

Vera Rubin es una firme candidata este año por su descubrimiento de la materia oscura en las galaxias gracias a las curvas de rotación galáctica (quizás la acompañen Marc Davis y Joel Primack). Hay que recordar que tiene 84 años y que solo dos mujeres han obtenido este galardón (Marie Curie en 1903 y Maria Goeppert-Mayer en 1963). Ya va siendo hora de que otra mujer lo vuelva a obtener y Rubin es una apuesta casi segura.

Finalmente, los amantes de la física cuántica siempre apostamos por Alain Aspect (Francia), John Clauser (EEUU) y Anton Zeilinger (Austria) por su estudio el entrelazamiento cuántico y la verificación de las desigualdades de Bell; hay mucha gente trabajando en computación cuántica que desea que estos tres físicos obtengan el Nobel, aunque también hay mucha gente trabajando en estado sólido y materia condensada que tiene otros candidatos.

Premio Nobel de Química 2012 (el miércoles 10 saldremos de dudas): Los estadounidenses William Moerner y Allen Bard lo merecen por el desarrollo de la espectroscopía monomolecular en 1989, una técnica que ha permitido observar moléculas de forma individual. Un descubrimiento revolucionario con multitud de aplicaciones, como ya nos comentó César @EDocet; podría acompañarles el francés Michel Orrit.

Por supuesto, acertar es casi imposible, pero si os apetece hacer vuestras apuestas en los comentarios, ánimo y adelante.

Premios Ig Nobel 2012

Como todos los años, anoche en la Universidad de Harvard se celebró la ceremonia de entrega de los Premio Ig Nobel 2012. Destaca el Premio Ig Nobel de Neurociencia concedido a Craig Bennett, Abigail Baird, Michael Miller, y George Wolford [EEUU],  por demostrar que las técnicas de imagen por resonancia magnética funcional (fRMI) que se utilizan para caracterizar la actividad del encéfalo (cerebro) producen falsos positivos al ser aplicadas a un salmón muerto. Craig M. Bennett, Abigail A. Baird, Michael B. Miller, and George L. Wolford, ”Neural Correlates of Interspecies Perspective Taking in the Post-Mortem Atlantic Salmon: An Argument For Multiple Comparisons Correction,” Journal of Serendipitous and Unexpected Results 1: 1-5, 2010.

También quiero descatar el Premio Ig Nobel de Acústica que han recibido Kazutaka Kurihara y Koji Tsukada [Japón] por crear SpeechJammer, un dispositivo capaz de interrumpir el discurso de una persona mediante un procedimiento muy sencillo, hacerle escuchar sus mismas palabras con un ligero retraso. El artículo técnico es reciente, Kazutaka Kurihara, Koji Tsukada, ”SpeechJammer: A System Utilizing Artificial Speech Disturbance with Delayed Auditory Feedback,”  arXiv:1202.6106, Feb. 28, 2012.

En este blog ya hemos hablado del trabajo que ha recibido el Premio Ig Nobel de Física, desarrollado por Joseph B. Keller [EEUU], por un lado, y por Raymond Goldstein [EEUU], y Patrick Warren y Robin Ball [Gran Bretaña] por otro, sobre ”la descripción matemática de la forma de un peinado tipo cola de caballo y sus implicaciones para la industria textil, la animación por ordenador y los productos de cuidado personal.” Recomiendo consultar mi artículo en este blog ”La matemática del peinado de cola de caballo publicada en un artículo de Physical Review Letters,” sobre el trabajo de Raymond E. Goldstein, Patrick B. Warren, and Robin C. Ball, “The Shape of a Ponytail and the Statistical Physics of Hair Fiber Bundles,” Phys. Rev. Lett. 108, 078101, February 13, 2012 [preprint gratis]. El artículo del genial Joseph B. Keller es “Ponytail Motion,” SIAM Journal of Applied Mathematics 70: 2667–72, 2010 (este artículo no tiene ninguna figura, solo matemáticas elementales sobre ecuaciones de ondas).

El Premio Ig Nobel de Física de Fluidos ha sido concedido a Rouslan Krechetnikov [Rusia] y Hans Mayer [EEUU] cómo afecta la biomecánica al caminar y las fluidomecánica del café (o té) en que éste se derrame. En este blog ya le dedicamos una entrada “Por qué se derrama el café de la taza al caminar con ella en la mano,” que recomiendo a los interesados en más detalles. El artículo técnico es H. C. Mayer and R. Krechetnikov, “Walking with coffee: Why does it spill?,” Phys. Rev. E 85: 046117 (2012).

El Premio Ig Nobel de Psicología ha sido para Anita Eerland y Rolf Zwaan [Holanda], y Tulio Guadalupe [Perú, Rusia, y Holanda] por su estudio sobre cómo influye en la estimación de la altura de la Torre Eiffel de París la postura que tiene la persona que mira. El artículo técnico es Anita Eerland, Tulio M. Guadalupe and Rolf A. Zwaan, “Leaning to the Left Makes the Eiffel Tower Seem Smaller: Posture-Modulated Estimation,” Psychological Science 22: 1511-1514, 2011.

El Premio Ig Nobel de la Paz para la compañía rusa SKN que afirma haber desarrollado una técnica para convertir antiguas municiones rusas en diamantes. La web de la empresa es http://www.skn-nd.ru/products_en.html.

El Premio Ig Nobel de Química lo ha obtenido Johan Pettersson [Suecia] por resolver el misterio de por qué se le ponía verde el cabello a las personas que vivían en ciertas casas de la ciudad de Anderslöv, Suecia, resulta que las tuberías que llevaban agua hasta la ducha eran de cobre y el agua caliente eliminó el recubrimiento que las protegía. La noticia apareció en “‘New homes’ turn Swedes’ hair green,” The Local, 17 Dec. 2011.

El Premio Ig Nobel de Literatura ha sido concedido a la Oficina de Contabilidad General (General Accountability Office) del Gobierno de los Estados Unidos por su retórica propia de Groucho Marx: la emisión de un informe acerca de los informes sobre los informes, que recomienda la preparación de un informe sobre el informe acerca de los informes sobre los informes. Te sorprenderás si buscas la palabra “report” en este documento “Actions Needed to Evaluate the Impact of Efforts to Estimate Costs of Reports and Studies,” US Government General Accountability Office Report GAO-12-480R, May 10, 2012.

El Premio Ig Nobel de Anatomía (debería haber sido de Etología) lo han recibido Frans de Waal [Países Bajos] y Jennifer Pokorny [Estados Unidos] por descubrir que los chimpancés pueden identificar a sus congéneres con solo ver las fotografías de sus traseros en la pantalla de un ordenador (los humanos no podemos hacerlo y los reconocemos por sus caras). El artículo técnico es Frans B.M. de Waal, Jennifer J. Pokorny, “Faces and Behinds: Chimpanzee Sex Perception,” Advanced Science Letters 1: 99–103, 2008.

Y el Premio Ig Nobel de Medicina es para Emmanuel Ben-Soussan y Michel Antonietti [Francia] por estudiar cómo evitar las explosiones de gas durante las colonoscopías; la aplicación de calor durante la exploración en el colonoscopio y el oxígeno del aire, combinados con un combustible, hidrógeno o metano, producido por la fermentación de carbohidratos no digeridos, que realizan las bacterias del colón, provoca de vez en cuando explosiones de gas que son peligrosas tanto para el paciente, como para el doctor. Sus artículos técnicos son Spiros D. Ladas, George Karamanolis, Emmanuel Ben-Soussan, “Colonic Gas Explosion During Therapeutic Colonoscopy with Electrocautery,” World Journal of Gastroenterology 13: 5295-5298, 2007, y E. Ben-Soussan, M. Antonietti, G. Savoye, S. Herve, P. Ducrotté, and E. Lerebours, “Argon Plasma Coagulation in the Treatment of Hemorrhagic Radiation Proctitis is Efficient But Requires a Perfect Colonic Cleansing to Be Safe,” European Journal of Gastroenterology & Hepatology 16: 1315-1318, 2004.

Este año hemos acertado en este blog dos premios Ig Nobel, lo que no está mal. Ya veremos cómo se nos da el próximo.

PS (24 sep 2012): Mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, Onda Cero, trató de este tema; puedes escuchar el audio siguiendo este enlace.

Un hidrogel capaz de hacer rebotar una bola de acero tras caer desde 1,86 metros

El primer vídeo muestra cómo rebota una bola de acero inoxidable de 2,54 cm de diámetro y 64 gramos de peso en una membrana circular de hidrogel con 1 mm de espesor y 7 cm de diámetro tras caer deade una altura de 1,86 metros. La película está grabada con una cámara de alta velocidad a 6000 fotogramas por segundo. El segundo vídeo muestra el resultado cuando se deja caer desde la misma altura una bola de acero de 5,08 cm de diámetro y 524 gramos de peso, pero sobre una membrana con 2 mm de espesor. En esta segunda parte se observa cómo se rompe la membrana. Suo Zhigang (Universidad de Harvard) y sus colegas han desarrollado este hidrogel híbrido a partir de polímeros de  alginato y de poliacrilamida. Sus propiedades mecánicas tan extraordinarias son debidas a la combinación de polímeros de alginato, cuyas moléculas se unen por enlaces iónicos que se pueden romper y volver a formar bajo presión, difundiendo la presión en un gran área, y polímeros de poliacrilamida, cuyas moléculas se unen por enlaces covalentes, que garantizan que el gel se mantiene unido formando una película bastante rígida. El artículo técnico es Jeong-Yun Sun et al., “Highly stretchable and tough hydrogels,” Nature 489: 133–136, 06 September 2012. Me he enterado gracias a un tuit de Julián Estévez ‏@Jeibros que hacía referencia a la noticia de Colin Lecher, “Video: A Ball of Metal Bounces Off a Thin Sheet of Super-Tough Hydrogel,” Popular Science, Sep. 05, 2012.

Los hidrogeles tienen múltiples aplicaciones prácticas: ingeniería de tejidos, sistemas de administración de medicamentos, actuadores en sistemas ópticos o fluidomecánicos, y muchas otras aplicaciones en biología. Lo que más limita las aplicaciones prácticas de los hidrogeles son sus propiedades mecánicas, ya que las membranas de hidrogel se suelen romper fácilmente cuando son estirados; por ejemplo, un hidrogel de alginato se rompe cuando se estira 1,2 veces su longitud original. Algunos hidrogeles sintéticos aguantan estiramientos entre 10 y 20 veces su longitud, pero cualquier pequeña rotura reduce estos números mucho. El nuevo artículo presenta un hidrogel basado en polímeros que permite estiramientos de hasta casi 20 veces su longitud sin romperse, incluso cuando hay pequeñas roturas, que en lugar de crecer y rajar en dos la membrana se mantienen gracias a una combinación “inteligente” de alginato y poliacrilamida.

Como muestra esta figura la combinación de un gel de alginato y con otro de poliacrilamida permite obtener un nuevo gel híbrido con propiedades comunes a ambos. Abajo tenéis un detalle de la química de los enlaces que unen entre las moléculas de ambas sustancias formando los polímeros que dan sus propiedades al gel.

Publicado en Nature: Estiman el tiempo que necesita un electrón para ionizar un átomo por efecto túnel

Un electrón en un átomo se encuentra atrapado en un pozo de potencial eléctrico producido por el núcleo. Por efecto túnel este electrón es capaz de escapar de este pozo de potencial ionizando el átomo; ¿cuánto tiempo necesita el electrón para escapar por efecto túnel? Se publica en Nature una medida del tiempo de ionización, que resulta ser menor de 200 attosegundos (1 as es una trillonésima de segundo o 10⁻¹⁸). Los autores estiman que el tiempo que necesita el electrón para atravesar la barrera de potencial por efecto túnel es menor de unos 20 as (cuesta trabajo imaginar intervalos de tiempo tan cortos). Experimentos anteriores habían medido o estimado el tiempo que un electrón necesita para realizar el efecto túnel en la escala de los attosegundos. Por supuesto, el nuevo artículo tiene sus limitaciones, siendo la más importante que su medida del tiempo de tunneling es indirecta y requiere el uso de un modelo teórico; aún así, el nuevo resultado tendrá aplicaciones interesantes en metrología, espectroscopía de alta velocidad y química cuántica. El artículo técnico es Dror Shafir et al., “Resolving the time when an electron exits a tunnelling barrier,” Nature 485: 343–346, 17 May 2012. Se hace eco del mismo Manfred Lein, “Atomic physics: Electrons get real,” Nature 485, 313–314, 17 May 2012.

Un haz láser ultraintenso es capaz de ionizar un átomo (o una molécula) por efecto túnel. Este efecto es puramente cuántico, pero el electrón, una vez abandona la barrera de potencial del núcleo, se comporta como una partícula clásica (en rigor, semiclásica) con una trayectoria bien definida. Este electrón puede oscilar debido al efecto del campo de luz láser y volver a recombinarse con el ión original, emitiendo radiación gracias a un proceso llamado generación de armónicos. La generación de armónicos permite medir tanto la estructura electrónica del ión como la trayectoria del electrón con una resolución espacial en la escala de los ångström, pero también permite medir tiempos en la escala de los attosegundos, tanto el tiempo de ionización como el tiempo retorno del electrón (desionización o recolisión). La medida de estos tiempos requiere un análisis teórico detallado del proceso (que el nuevo artículo presenta en su Información Suplementaria). Se trata de una medida muy difícil desde el punto de vista técnico. En el experimento publicado en Nature, se han generado armónicos en átomos de helio utilizando luz láser de alta intensidad,  I ≈ 3.8 × 10¹⁴ W cm⁻², con una longitud de onda de λ = 800 nm. Los autores han extraído cada armónico y han comparado los tiempos de retraso entre los armónicos pares e impares.

Los tiempos de ionización medidos difieren de los predichos por una teoría semiclásica (algo que no ocurre con los de reionización) y se requiere la inclusión de efectos cuánticos (el efecto túnel del electrón) para poderlos explicar. Por ello los autores consideran que su trabajo ofrece una cota superior fiable al tiempo que necesita el electrón para escapar del átomo por efecto túnel.

El nuevo resultado es similar al publicado recientemente por Boris Bergues et al., “Attosecond tracing of correlated electron-emission in non-sequential double ionization,” Nature Communications 3, Article number: 813, Published 08 May 2012, del que se hacían eco en , “Investigadores financiados con fondos europeos logran un método más preciso para lograr la doble ionización,” CORDIS, 09 May 2012. Copio un extracto para animaros a leer dicho artículo: “Cuando un pulso intenso de láser interactúa con un átomo normalmente genera una agitación a microescala que provoca una ionización sencilla expulsando un electrón de su órbita atómica. En ocasiones pueden eliminarse dos electrones al mismo tiempo, dando lugar a un proceso de mayor complejidad denominado ionización doble. Ahora científicos de Alemania y Estados Unidos han observado este proceso en escalas de attosegundos (un attosegundo es la trillonésima parte de un segundo) y publicado sus resultados en un artículo de Nature Communications. El estudio recibió fondos de los proyectos ATTOFEL («Dinámicas ultrarrápidas mediante fuentes de láser de electrones libres XUV y de attosegundos»). La luz láser intensa expulsa primero un electrón del átomo y lo acelera alejándolo del núcleo atómico para acercarlo de nuevo después. Durante la colisión el electrón transfiere parte de su energía a un segundo electrón que se excita y pasa a un orbital superior. A continuación el campo eléctrico del pulso de láser libera el segundo electrón de dicho orbital atómico. El primer electrón, tras su ionización inmediatamente posterior a la onda máxima, tardó aproximadamente 1,8 femtosegundos en volver a la órbita atómica para excitar el segundo electrón. Además se mantuvo en un estado de excitación durante unos 400 attosegundos antes de que el campo de láser lo liberara de su órbita justo antes de la segunda onda máxima. Boris Bergues, del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y uno de los autores del estudio, comentó: «Nos sorprendió observar que el segundo electrón abandona el orbital atómico 200 attosegundos antes del máximo del segundo ciclo.»”

XII Carnaval Química: La primera imagen de la distribución de carga de una sola molécula

El microscopio de efecto túnel y el microscopio de fuerza atómica permiten ver átomos y moléculas colocados en una superficie, pero no pueden ver su distribución de carga eléctrica. Para ello se puede utilizar el microscopio de fuerza atómica con sonda Kelvin (KPFM) que mide la diferencia de potencial local entre la punta de la sonda y la superficie. Por primera vez, se ha logrado observar la distribución de carga eléctrica de una molécula, en concreto, de la naftalocianina (Nc); lo ha logrado el laboratorio de IBM en Zurich, que ya logró hacer lo mismo con un átomo en 2009. Los resultados experimentales (figura d, obtenida combinando b y c) están en buen acuerdo con las predicciones teóricas (figura e). Las diferencias de potencial de contacto (DPC) entre la molécula y la sonda se miden de una forma curiosa; se pone a oscilar la punta del KPFM mientras se aplica un voltaje entre la muestra y dicha punta de forma que el campo eléctrico resultante compense la fuerza atómica en la punta; la compensación precisa requiere un bucle de control realimentado, del que se extrae la señal medida de la distribución de carga de la molécula. La técnica es más precisa en moléculas que tienen tautómeros ya que se mide de forma independiente cada uno de ellos y combinando los resultados se pueden eliminar defectos debidos a la orientación incorrecta de la punta del KPFM. El artículo técnico es Fabian Mohn, Leo Gross, Nikolaj Moll & Gerhard Meyer, “Imaging the charge distribution within a single molecule,” Nature Nanotechnology, Published online 26 February 2012. Me enteré de este artículo gracias a un tuit de César @EDocet que hacía referencia al artículo de ”Single molecule’s electric charges seen in first image,” BBC News, 26 February 2012; he tomado el título de mi entrada de una de su nuevo blog, “La primera imagen de la distribución de carga de una sola molécula,” AAA+ por @EDocet, 27 feb. 2012.

En esta figura se aprecia la diferencia entre las diferentes técnicas de microscopia y los resultados obtenidos por ordenador. La figura (a) muestra la molécula de naftalocianina (Nc) en amarillo y una molécula de control de CO (el punto morado abajo a la izquierda). La figura (b) es una imagen por microscopio de efecto túnel (STM) de la molécula de Nc utilizando una punta terminada en una molécula de CO; en rojo se destacan las posiciones de los átomos de hidrógeno centrales. Las figuras (c) y (d) han sido obtenidas con un microscopio de fuerza atómica (AFM) con la punta a una altura constante, z = 0,145 nm en (c) y z = 0,175 nm en (d). Las figuras (e) y (f) muestran cortes de la distribución de densidad electrónica de la molécula calculada mediante ordenador utilizando la teoría del funcional de densidad (DFT); los cortes corresponden a distancias d = 0,2 nm en (e) y d = 0,3 nm en (f). Las figuras (g) y (h) muestran también resultados de simulaciones por ordenador mediante DFT para cortes de la molécula con distancias d = 0,1 nm en (g) y d = 0,4 nm en (h). Las barras blancas en estas figuras corresponden a 2 nm en (a) y 0,5 nm en todas las demás.

La razón por la que se ha utilizado la naftalocianina como molécula es la posibilidad de poder forzar su tautomerización para obtener una imagen más precisa. Las figuras (a) y (b) muestran imágenes de dos tautómeros de la Nc obtenidas con una punta terminada en CO a una altura constante de z = 0.2 nm (en la (a) está la molécula antes de la tautomerización y la (b) después de ella). La diferencia entre las imágenes (a) y (b) permite obtener la imagen (d) que representa la distribución de carga final de dicha molécula. La figura (c) muestra el resultado obtenido mediante simulaciones por ordenador utilizando DFT. La barra de escala en todas las figuras corresponde a 0,5 nm. En la figura (c) los átomos de carbono, hidrógeno y nitrógeno se han representado con círculos de color gris, blanco y azul, respectivamente.

Esta entrada participa en la XII Edición del Carnaval de la Química que organiza este mes el blog Historias con mucha química (como todas), cuya autora es María Docavo @MariaDocavo, almeriense, bloguera, Licenciada en Química, especialista en comunicación y periodismo científico y divulgadora de vocación.

El 1% de los enlaces entre la adenina y la timina del ADN son de tipo Hoogsteen en lugar de tipo Watson-Crick

La molécula de ADN es una de las más estudiadas, aunque aún esconde muchos secretos. Un nuevo artículo de Hashim M. Al-Hashimi (Universidad de Michigan) afirma que el 1% de los enlaces AT (entre la adenina y la timina) sufre una transición entre el modelo propuesto por Watson y Crick en 1953 y el modelo propuesto en 1963 por Hoogsteen. Se pensaba que los enlaces descubiertos por Karst Hoogsteen eran muy excepcionales y que no tenían ningún papel en la estructura de doble hélice del ADN. El grupo de Al-Hashimi ya publicó el año pasado en Nature la primera observación mediante RMN de los enlaces de Hoogsteen en moléculas de ADN, pero estimaron que su número era muy pequeño (muchísimo menos de 1%). ¿Qué función pueden tener estos emparejamientos de bases? Aún no se sabe, pero Al-Hashimi cree que podría estar relacionada con el reconocimiento molecular (cómo se acoplan ciertas moléculas al ADN o viceversa). Futuros estudios tendrán que desvelar esta función. El nuevo artículo técnico es Evgenia N. Nikolova, Federico L. Gottardo, and Hashim M. Al-Hashimi, “Probing Transient Hoogsteen Hydrogen Bonds in Canonical Duplex DNA Using NMR Relaxation Dispersion and Single-Atom Substitution,” J. Am. Chem. Soc., Article ASAP, February 6, 2012; el artículo de hace un año es Evgenia N. Nikolova, Eunae Kim, Abigail A. Wise, Patrick J. O’Brien, Ioan Andricioaei & Hashim M. Al-Hashimi, “Transient Hoogsteen base pairs in canonical duplex DNA,” Nature 470: 498–502, 24 February 2011. Me he enterado gracias a un tuit de César @EDocet que enlaza a Erika Gebel, “A Twist To DNA Base Pairing. Structural Biology: NMR spectroscopy proves the existence of an alternative to Watson-Crick base pairing,” Chemical & Engineering News, February 17, 2012. Gracias, César.

Y yo me pregunto, tendrá algo que ver esto con la conductividad eléctrica de las cadenas de ADN; ciertos estudios indican que la conducción eléctrica de ciertas secuencias de bases cambia mucho según el experimento, lo que podría estar relacionado con el hecho de que estas secuencias aparentemente idénticas en realidad no lo son porque algunas incluyen emparejamientos de Hoogsteen y otras no.

Información relacionada en este blog: “Récord de conducción eléctrica en una cadena de ADN aperiódica,” 31 marz0 2011.