Medida no invasiva del campo térmico en el interior de un reactor químico heterogéneo

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El diseño de los reactores químicos heterogéneos en los que conviven fases sólidas y gaseosas es muy complicado por el acoplo entre la transferencia de calor y masa, y la cinética de la reacción química (normalmente catalizada). Las simulaciones por ordenador son muy complicadas, pero la observación experimental (medir la temperatura del gas sin perturbar el fluido) es muy difícil. Se publica en Nature una nueva técnica de termometría por resonancia magnética nuclear (RMN) que permite medir el campo de temperatura de forma no invasiva. El mapa térmico logrado tiene errores menores del cuatro por ciento, lo que permite localizar puntos calientes y fríos en el interior de los reactores gas-sólido catalizados. Para los que hemos trabajado en la simulación numérica de estos reactores, poder comparar los resultados con medidas reales no invasivas es una oportunidad única para validar nuestro trabajo. El artículo técnico es Nanette N. Jarenwattananon et al., “Thermal maps of gases in heterogeneous reactions,” Nature 502: 537–540, 24 Oct 2013.

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El problema de la formación de la Luna y su geoquímica

Dibujo20131010 planetesimal plowing into the young Earth neatly explains the dynamics of Earth-moon system but not its geochemistry

La teoría estándar para la formación de la Luna es el impacto de un cuerpo de tamaño similar a Marte contra la Tierra primitiva. Pero hay un problema, las simulaciones por ordenador de este impacto o bien explican la dinámica temprana del momento angular del sistema Tierra-Luna, o bien son capaces de explicar la semejanza entre la composición geoquímica de la Tierra y su satélite, pero no ambas cosas. Conocemos la geoquímica lunar gracias al programa espacial Apolo que trajo 382 kilogramos de rocas lunares hasta la Tierra. El año pasado se publicaron dos modelos que proponían el impacto de un objeto de tamaño similar a la Luna, mucho menor que Marte, para tratar de resolver este “pequeño” problema, explicando de forma correcta la composición geoquímica, pero el sistema Tierra-Luna resultante tenía demasiado momento angular y el mecanismo propuesto para reducirlo no satisface a todos los expertos. Hay cosas que creemos que sabemos que sabemos, pero a veces no sabemos que no sabemos. Nos lo cuenta Daniel Clery, “Impact Theory Gets Whacked,” Science 342: 183-185, 11 Oct 2013.

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Nobel Química 2013: Karplus, Levitt y Warshel por la bioquímica computacional

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El austríaco Martin Karplus (Univ. Harvard, Cambridge, Massachusetts, EEUU), el sudafricano Michael Levitt (Facultad de Medicina de la Univ. Stanford, California, EEUU) y el israelí Arieh Warshel (Univ. del Sur de California, EEUU) son los ganadores del Premio Nobel de Química 2013 por “el desarrollo de modelos multiescala para sistemas químicos complejos.” La simulación por ordenador de la química cuántica de las macromoléculas (como las proteínas) y sus interacciones con los metabolitos (moléculas pequeñas) es imposible; el número de grados de libertad crece de forma exponencial con el tamaño. Por fortuna, basta simular la física cuántica de la reacción en el sitio activo (o centro de reacción), pudiendo usarse la mecánica clásica de Newton para simular las vibraciones del resto de la molécula, la llamada dinámica molecular. Este tipo de simulación multiescala fue introducida por Karplus, Warshel y Levitt entre 1972 y 1976. Desde entonces se considera la técnica numérica estándar para simular procesos bioquímicos en macromoléculas.

Anuncio del premio Nobel, información divulgativa [PDF], información técnica [PDF] y un artículo periodístico de Antonio Martínez Ron, “Nobel de Química 2013 para los científicos que facilitaron las simulaciones químicas por ordenador,” lainformacion.com, 9 Oct 2013.

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Francis en Eureka: Predicción de los premios Nobel 2013

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El audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, Onda Cero, ya está disponible. Como todos los años, presenta mi predicción de los premios Nobel de 2013. Me he basado en las predicciones de Science Watch de Thomson Reuters. Por supuesto, predecir el futuro es imposible, ya que sólo se puede predecir el pasado.

El lunes 7 de octubre se publicará el ganador del premio Nobel de Medicina. ¿Cuál es tu predicción para este premio, que acertaste el año pasado en la Rosa? Hay muchos campos de investigación en Medicina y Fisiología que merecen el Premio Nobel pero yo me decanto por la epigenética, en concreto, la metilación del ADN y el control de la expresión de los genes. Adrian P. Bird (Universidad de Edinburgo, Edinburgo, Scotland, UK), Howard Cedar y Aharon Razin (ambos de la Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem, Israel) son los candidatos más claros para recibir este premio. Su trabajo ha permitido descubrir que los lugares donde los grupos metilo se acoplan al ADN afecta a la regulación de las moléculas que interaccionan con las secuencias de ADN, permitiendo entender lo que diferencia las células diferenciadas unas de otras, y cómo el entorno afecta a la expresión de los genes, es decir, al fenotipo. Entender la anotación del genoma, como le llamó Howard Cedar, es fundamental tanto en ciencia básica como en las aplicaciones de la genética al tratamiento de enfermedades; de hecho, el campo de la epigenética promete avances importantes en el tratamiento de enfermedades complejas relacionadas con los genes, como el cáncer.

El próximo martes 8 de octubre se publicará el ganador del premio más claro este año, el de Física, que todo el mundo asigna al bosón de Higgs. ¿Aparte de Higgs quién más puede recibir dicho premio? El físico escocés Peter W. Higgs (Universidad de Edinburgo, Escocia, Gran Bretaña) estará acompañado por el físico belga François Englert (Universidad Libre de Bruselas, Bélgica, y de la Universidad Chapman, en Orange, California, EEUU). Junto a Peter Higgs y François Englert, también merece el premio el físico belga Robert Brout, pero por desgracia falleció en el año 2011. Se trata apuesta segura para el Nobel de Física. Los tres predijeron en el año 1964 el bosón de Brout-Englert-Higgs, popularmente conocido como bosón de Higgs a secas. Los análisis de la búsqueda de este bosón escalar en las colisiones en el LHC del CERN publicadas en marzo de este año, así como los presentados en junio en una conferencia en Estocolmo no dejan lugar a dudas, el bosón escalar observado por primera vez el 4 de julio de 2012 se comporta como predice la teoría llamada modelo estándar dentro de los límites de los errores experimentales y si hay unas leyes físicas ocultas en el comportamiento de esta partícula, se tratará de de fenómenos cuyo efecto es tan pequeño que los físicos lo seguiremos llamando bosón de Higgs o de Brout-Englert-Higgs, un nombre más correcto.

El Nobel de química se anunciará el próximo miércoles 9 de octubre, ¿cuál es tu predicción para este premio, siempre entre los más difíciles de predecir? Mi predicción es un poco arriesgada pero creo que los avances en la nanotecnología del ADN, uno de los campos más activos e importantes en la actualidad, podrían recibir el premio, en concreto los bioquímicos A. Paul Alivisatos (Universidad de California, en Berkeley, EEUU), Chad A. Mirkin (Universidad Northwestern, Evanston, Ilinois, EEUU) y Nadrian C. Seeman (Universidad de Nueva York, EEUU). El trabajo teórico pionero de Nadrian Seeman en 1982 cristalizó en 1996 con el descubrimiento experimental de Paul Alivisatos y Chad Mirkin de cómo acoplar al ADN nanopartículas de oro. La nanotecnología del ADN ha permitido el desarrollo de técnicas de diagnóstico molecular que permiten la identificación de los defectos moleculares subyacentes en una enfermedad de carácter hereditario. El acoplamiento de nanopatículas metálicas a los ácidos nucleicos ha revolucionado nuestra comprensión de la arquitectura tridimensional del ADN y sobre todo del ARN, fundamental para su actividad catalítica, con multitud de aplicaciones incluso más allá de la medicina, como la síntesis de nanoestructuras artificiales y la tecnología de puntos cuánticos para el desarrollo de células solares fotovoltaicas.

El premio Nobel de Economía se anunciará el lunes 14 de octubre, ¿qué nos puedes decir sobre este premio? Igual que el año pasado, la mayoría de las predicciones apuntan a la escuela de Chicago y su teoría de la regulación económica. Mucha gente parece tener muy claro que Sam Peltzman (Facultad de Económicas de la Universidad de Chicago, IL, EEUU) y Richard A. Posner (Facultad de Derecho de la Universidad de Chicago, IL, EEUU) son firmes candidatos al premio Nobel de Economía de 2013. Una mala percepción del riesgo de suprimir ciertas normas que regulan los mercados ha sido la causa más importante de la crisis económica; Peltzman y Posner han estudiado cómo los comportamientos de riesgo son alentados cuando parece que el riesgo se distribuye entre muchas personas lo que ofrece en una sensación de falsa seguridad. Por ello una correcta regulación de los mercados es absolutamente necesaria.

El anuncio del premio Nobel de Literatura todavía no tiene fecha. El viernes 11 de octubre se anunciará el premio Nobel de la Paz, ¿qué nos puedes decir? Las apuestas sobre el premio de Literatura apuntan al japonés Haruki Murakami, pero hay muchos otros que como él lo merecen. A mí me gustaría que lo recibiera el checo Milan Kundera, pero es casi imposible predecir este premio. Lo mismo pasa con el premio Nobel de la Paz. A mí me gustaría que lo recibieran Las Madres de la Plaza de Mayo o Julian Assange. Pero la verdad, no tengo ni idea.

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Nuevo material electrocromático para ventanas inteligentes

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Se llaman ventanas “inteligentes” a las que tienen un vidrio que absorbe de forma selectiva la luz visible y el infrarrojo cercano cuando se le aplica un voltaje, cambiando su grado de transparencia a la luz y al calor exterior. Estas ventanas inteligentes permiten reducir la demanda energética de un edificio (en iluminación y climatización). Jaume Gazquez (ICMAB-CSIC, Univ. Aut. Barcelona) y varios colegas de la Univ. California en Berkeley publican en Nature un nuevo material electrocrómico compuesto de nanocristales de óxido de indio y estaño (ITO) incrustados en un vidrio de óxido de niobio. Una de las ventajas más interesantes del nuevo material es que permite un control separado de la absorción de luz en el visible y en el infrarrojo cercano, es decir, en una ventana inteligente se podrán controlar de forma separada e independiente la transparencia óptica y térmica. El rendimiento del nuevo material es mucho mejor de lo esperado, aunque hay resolver algunas cuestiones técnicas antes de que este nuevo material pueda ser usado en ventanas en nuestras viviendas (hay que seleccionar mejores materiales para los electrodos y conviene usar un electrolito sólido en lugar de líquido). Aún así, se trata de un trabajo muy prometedor. Nos lo cuenta Brian A. Korgel, “Materials science: Composite for smarter windows,” Nature 500: 278–279, 15 Aug 2013, que se hace eco del artículo técnico de Anna Llordés, Guillermo Garcia, Jaume Gazquez, Delia J. Milliron, “Tunable near-infrared and visible-light transmittance in nanocrystal-in-glass composites,” Nature 500: 323–326, 15 Aug 2013.

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El papel de los puentes de hidrógeno en el transporte de protones en el agua

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Hace más de dos siglos que Theodor von Grotthuss propuso un mecanismo para entender el transporte de iones en el agua: su transferencia entre un catión hidronio H3O+ y un anión hidróxido OH a través de una serie de saltos entre puentes de hidrógeno en el agua (los enlaces intermoleculares entre los hidrógenos y los oxígenos de moléculas H2O diferentes), como si los protones se movieran por “cables” de agua (proton wires). Se publica en PNAS un artículo que aclara los detalles técnicos de este proceso mostrando la importancia de la topología de la red tridimensional de puentes de hidrógeno en el transporte y la formación de “cables” en forma de anillo. Hassanali et al. han usado simulaciones por ordenador de dinámica molecular ab initio (AIMD por Ab Initio Molecular Dynamics) que muestran que el transporte ocurre a ráfagas, con periodos de reposo en los que no hay transferencia de protones y estos están localizados (parecen atrapados); en estos periodos de reposo, cuya duración es mayor de la que se pensaba, se observan aniones hidróxido “hipercoordinados” cuyo oxígeno tiene 4 puentes de hidrógeno simultáneos en una configuración casi plana; se cree que el transporte se activa cuando estos hidróxidos fluctúan y su número de puentes de hidrógeno se reduce de 4 a 3. El proceso presenta múltiples escalas de tiempo y es más complicado de lo que se pensaba. Por supuesto, ahora es el turno de los físicoquímicos experimentales que tendrán que confirmar estos detalles por observación directa. Nos lo han contado Edelsys Codorniu-Hernández, Peter G. Kusalik, “Probing the mechanisms of proton transfer in liquid water,” PNAS, AOP Aug 8, 2013, que se hacen eco del artículo técnico de Ali Hassanalia et al., “Proton transfer through the water gossamer,” PNAS, AOP Jul 18, 2013.

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El coste enzimático de la eficiencia en el metabolismo energético

Dibujo20130605 structural differences between ED and EMP glycolytic pathways

Todo el mundo sabe que el coste de una obra de teatro además del trabajo de los actores incluye a mucho personal entre bambalinas. El coste termodinámico de una ruta metabólica también incluye un coste entre bambalinas, el coste proteómico de la síntesis de sus enzimas. Nos lo recuerda un nuevo artículo en PNAS que estudia en procariotas la ruta metabólica de la glucólisis, la síntesis de energía (moléculas de ATP) oxidando glucosa. La ruta metabólica estándar para la glucólisis es la de Embden-Meyerhoff-Parnass (EMP), que contiene 10 reacciones enzimáticas y cuyo producto son dos moléculas de ATP. Sin embargo, hay otras rutas para la glucólisis en procariotas, siendo la más común la ruta de Entner-Doudoroff (ED), que produce una sola molécula de ATP, pero sólo tiene 6 reacciones enzimáticas. Avi Flamholz (Instituto Weizmann de Ciencia, Rehovot, Israel) y sus colegas afirman que la prevalencia de la ruta ED en procariotas es debido a que requiere menos enzimas (6 en lugar de 10); este resultado lo han obtenido tras un análisis termodinámico de la cinética química de estas rutas metabólicas que incluye el coste termodinámico de la producción de las enzimas (normalmente despreciado en este tipo de análisis). El nuevo estudio nos recuerda que las bambalinas también existen en el metabolismo celular. Nos lo cuentan Arion I. Stettner, Daniel Segrè, “The cost of efficiency in energy metabolism,” PNAS, AOP May 31, 2013, quienes se hacen eco del artículo técnico de Avi Flamholz et al., “Glycolytic strategy as a tradeoff between energy yield and protein cost,”PNAS, AOP Apr 29, 2013.

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Nanopartículas de insulina autorreguladas por glucosa para diabéticos

Dibujo201300603 Schematic of the glucose-responsive nano-network

Diabetes mellitus es un trastorno de la regulación de la glucosa que afecta a unas 366 millones de personas en todo el mundo. El tratamiento ideal para los pacientes sería un sistema artificial con un control en “bucle cerrado” capaz de imitar la actividad del páncreas y liberar insulina en respuesta a los cambios en el nivel de glucosa en sangre. Zhen Gu (MIT, EEUU) y sus colegas han desarrollado un sistema de liberación de insulina auto-regulado por el nivel de glucosa basado en una red polimérica inyectable y biodegradable. El sistema está basado en nanopartículas cargadas que encapsulan insulina y enzimas que detectan el nivel de glucosa (en concreto, glucosa oxidasa GOx). Las nanopartículas se unen electrostáticamente entre sí formando un material poroso nanocompuesto (nanocomposite) capaz de liberar insulina en respuesta a las concentraciones de glucosa. El sistema se puede administrar por vía subcutánea y ha sido probado in vivo en ratones con diabetes mellitus tipo 1. Una sola inyección estabilizó los niveles de glucosa en sangre de los ratones durante 10 días. Todavía es muy pronto para hablar de pruebas en humanos, pero esta tecnología me parece muy prometedora. El artículo técnico es Zhen Gu et al., “Injectable Nano-Network for Glucose-Mediated Insulin Delivery,” ACS Nano 7: 4194–4201, May 2, 2013.

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¿Estás preparado para un mundo con más de 400 ppm de CO2 en la atmósfera?

Dibujo20130504 measurements atmospheric co2 levels at mauna loa - hawaii

Pronto la concentración global de dióxido de carbono (el gas de efecto invernadero más importante) superará durante un mes completo las 400 partes por millón, pero volverá a bajar (pues su dinámica es oscilatoria); de hecho, el 29 de abril de 2013 se alcazaron los 399,50 ppm. En un par de años, la concentración superará los 400 ppm durante todo un año (algo que no pasaba en nuestro planeta desde el Plioceno, hace más de tres millones de años). Quizás es el momento de hacer balance, de dónde venimos y hacia dónde vamos. En 1958, cuando se empezó a medir con precisión la concentración de CO2 estaba en unos 316 ppm (antes de la revolución industrial se estima que estaba en unas 280 ppm). Las mediciones del Global Carbon Project suelen tomar como referencia las medidas desde la estación del volcán Mauna Loa, en Hawaii, a 3.400 metros de altura, que muestran un crecimiento sostenido sin ninguna señal de estabilización. Si el nivel de CO2 se mantiene por encima de los 400 ppm durante el resto del siglo XXI, a finales de este siglo la temperatura media de la Tierra podría aumentar entre 2 y 2,4 grados. Las consecuencias pueden ser terribles. Nos lo cuenta Richard Monastersky, “Concentrations of greenhouse gas will soon surpass 400 parts per million at sentinel spot,” Nature 497: 13-14, 02 May 2013. Los valores actualizados día a día en CO2now.org.

PS: Por cierto, la relación entre concentración de CO2 y temperatura en los últimos 22000 años fue publicada en Nature el año pasado (Jeremy D. Shakun et al., “Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation,” Nature 484: 49–54, 05 April 2012).

Dibujo20130507 CO2 concentration and temperature - last 22 kyr

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

Dibujo20130307 gustatory neurons in sensilla on the honeybee mourthparts

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.

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