La química orgánica como una red de internet

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La teoría de redes está de moda. El paradigma es la internet, pero una red puede representar casi cualquier cosa. Toda la química orgánica se puede representar como una red que evoluciona en el tiempo conforme vamos aprendiendo más sobre las posibles reacciones entre moléculas orgánicas. La red contiene las 6.5 millones de sustancias y las 7.0 millones de reacciones que las conectan que aparecen en la la mayor base de datos de reacciones orgánicas publicadas desde 1779 (Crossfire Beilstein Database de Elsevier). Se ha estudiado la topología de esta red, mostrando su estructura modular y permitiendo detectar las “islas” de conocimiento bioquímico que marcarán el futuro cercano de la química orgánica. El artículo técnico es Bartosz A. Grzybowski, Kyle J. M. Bishop, Bartlomiej Kowalczyk, Christopher E. Wilmer, “The ‘wired’ universe of organic chemistry,” Nature Chemistry 1, 31-36, 2009 .

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Representación de 4 reacciones en forma de red.

La figura de la derecha ilustra cómo se ha obtenido la representación de la red estudiada. La estructura de la red completa presenta un núcleo que contiene todos las substancias que se pueden conectar mediante una ruta bioquímica concreta. Las moléculas del núcleo son relativamente pequeñas (masa media de 265 g/mol, cuando las que no están en el núcleo alcanzan 364 g/mol). El núcleo incluye moléculas de gran interés industrial, bloques básicos de la síntesis química. Aunque es pequeño, sólo el 4% de todos los compuestos orgánicos, las moléculas que lo forman aparecen en el 35% de todas las reacciones conocidas y están conectadas con el 78% de todas las moléculas (unos 5 millones) estudiadas, la denominada periferia. De hecho, sólo 300 moléculas del núcleo están conectadas con más de 1.5 millones. Lejos de la periferia, se encuentran un gran número de islas, el 18% del total de moléculas, que no se pueden alcanzar desde el núcleo. Normalmente son productos naturales complejos o sustancias muy especializadas (como isótopos no naturales). Las islas muestran las regiones de nuestro “desconocimiento” sobre la química orgánica y prometen ser de interés preferente para los investigadores en los próximos años.  

El análisis de la red muestra que es de escala libre, igual que muchas otras redes complejas, como internet. Este tipo de redes presentan “hubs” (nodos concentradores) que en el caso de las reacciones bioquímicas son moléculas intermediaras de muchas reacciones. Estas moléculas “hubs” tienen una ventaja económica (energética). El análisis temporal de la evolución del conocimiento bioquímico muestra ue estas “estrellas” de la bioquímica, moléculas muy “populares,” se vuelven más populares conforme pasa el tiempo.

¿Para qué sirve estudiar la red completa de la bioquímica? Los autores proponen varias aplicaciones. Por ejemplo, la optimización de cadenas de múltiples reacciones en bioquímica industrial. Para la producción de P productos, qué sustratos S y qué reacciones deben elegirse para minimizar el coste total de producción. Los autores del artículo han utilizado esta técnica para las compañías ProChimia Poland y Toronto Research Chemicals. Otra aplicación es la identificación de las rutas sintéticas de sustancias bajo control gubernamental, como drogas, sustancias psicotrópicas o armas químicas. No sólo hay que regular estas sustancias, también sus precursores. El análisis de redes permite identificar una lista completa de precursores. Por ejemplo, el gas sarín (utilizado en el atentado terrorista del metro de Tokio en 1995) y sus precursores inmediatos están estrictamente regulados, pero puede ser sintetizado (13 años después de la tragedia de Tokio) en sólo dos pasos con reacciones disponibles comercialmente a partir de sustancias no regulados en la actualidad. Los análisis de la red bioquímica completa permitirá que los gobiernos estén alerta sobre la compra masiva de este tipo de sustancias, por ejemplo, por grupos terroristas.