Los desafíos de la química del siglo XXI

    La actividad de los químicos, desde la época de la mera especulación filosófico-científica a la de la ciencia química desarrollada sobre bases experimentales, pasando por la aproximación a la magia y al misterio de los alquimistas, no es otra cosa que el empeño en poner de manifiesto el secreto de la composición de la materia y de las transformaciones que en ella tienen lugar.

    Este anhelo puede interpretarse como algo impregnado de cierto espíritu trascendental. Así, los alquimistas, (los verdaderos alquimistas) no buscaban el enriquecimiento en sus experimentos, destinados a hallar la piedra filosofal o elixir que transmutara los metales en oro, sino que perseguían un medio que permitiera transformar al hombre y al universo, y puede decirse que sus esfuerzos no resultaron baldíos, ya que sentaron las bases de la química moderna.

    Los espectaculares avances registrados en el ámbito de la ciencia química han supuesto un radical replanteamiento de las condiciones de vida del ser humano, desde que la disciplina se convirtió, a partir del siglo XVII, en un área de conocimiento específicamente científica y experimental. De ello da idea el hecho de que, si a principios del siglo XIX se conocía la composición química de aproximadamente 300 sustancias, en la actualidad se ha podido establecer la de unos 19 millones de compuestos, con una evolución que hace que el número de especies químicas se duplique cada doce o trece años, lo que permite pronosticar que, en apenas algunas décadas, esos 19 millones pueden pasar a ser 200 o 300.

    Salvo unos pocos irreductibles de planteamientos más o menos radicales, nadie osaría negar los innegables saltos cualitativos que el uso de antibióticos, analgésicos, aditivos alimentarios, fibras sintéticas o plaguicidas, han supuesto para la humanidad en un plazo comparativamente breve. Sin embargo, determinados enfoques erróneos u orientados a la consecución inmediata de beneficios en ciertos proyectos y, sobre todo, el distanciamiento de la ciencia química de algo tan esencial en nuestro tiempo como la preservación del medio y la salvaguarda de los recursos naturales, han hecho que el adjetivo «químico» se haya convertido en cierto modo en sinónimo de artificial, de manipulado para quien sabe para qué oscuros fines, y por ende, de potencialmente peligroso.

    De cara a las décadas iniciales del siglo XXI, una de la claves para el desarrollo futuro de la ciencia química se centra en habilitar líneas de investigación que den prioridad a la reducción del impacto sobre el ambiente y sobre la salud humana de los nuevos procesos y sustancias, anteponiendo la seguridad y el desarrollo sostenible a otros criterios. Aunque probablemente es inevitable que las mejoras en la calidad de vida tengan un coste, uno de los principios básicos de la moderna ciencia química debe centrarse en acomodar los beneficios materiales que los hallazgos químicos reportan con el equilibrio, cada vez más inestable, entre el ser humano y el medio en el que habita.

    Principales campos de evolución

    A lo largo del siglo XX, fueron numerosos los hechos que determinaron que la investigación química quedara impresa en el imaginario colectivo como algo amenazador y peligroso. A ello contribuyeron, ciertamente, el uso bélico de sustancias como el napalm, el agente naranja, o los gases nerviosos (no por casualidad llamados armas químicas), o catástrofes como las de como la de Bhopal en la India, en la que una fuga de isocianato de metilo produjo decenas de víctimas mortales, en 1984, o la de Chernobil en la actual Ucrania, el más grave accidente nuclear de la historia, que en 1986 afectó a miles de personas y e hizo sentir sus consecuencias en buena parte de la Europa oriental. Asimismo, el empleo sistemático de insecticidas y plaguicidas, que optimizan el rendimiento de las cosechas a costa de un importante deterioro ambiental, o líneas de investigación que algunos consideran potencialmente arriesgadas, como la desarrollada en torno a los alimentos transgénicos, hacen que «lo químico» esté en cierta medida desacreditado.

    Sin embargo, las oportunidades que se abren en esta rama del saber de cara al futuro son ciertamente ingentes. Los avances en el conocimiento del genoma humano y del de otras especies animales y vegetales determinan, por ejemplo, inmensas posibilidades de desarrollo en el campo de la bioquímica y la química médica. Otro tanto sucede en áreas como la investigación de nuevas fuentes energéticas o de nuevos materiales, y en la de los mecanismos que permitan paliar la previsiblemente creciente, escasez de alimentos y recursos hídricos en los países en vías de desarrollo.

    Todo ello pasa, sin embargo, por el compromiso ineludible de replantear numerosos conceptos relacionados con la agresión continuada al medio, de forma que la síntesis de nuevos compuestos se proyecte sobre la base del estudio minucioso de sus potenciales efectos tóxicos o contaminantes. De igual modo, otro de los principales objetivos a cubrir se centra en el hecho de que la formación educativa se implique en llegar a difundir entre la población los adecuados conocimientos químicos sobre las sustancias que emplea o con las que entra en contacto, de modo que cada cual pueda optar por una opción de forma fiable y documentada.

    El desafío ambiental

    Hasta hace relativamente pocos años, los frutos del trabajo de los químicos se asignaban a sus diferentes aplicaciones, tomando en cuenta, exclusivamente, sus ventajas prácticas, sin mayor preocupación por sus potenciales efectos contaminantes en suelos, aguas o atmósfera. No obstante, desde las últimas décadas del siglo XX se fue haciendo patente la imperiosa necesidad de dar prioridad absoluta a los proyectos de investigación química sobre los potenciales efectos contaminantes de las nuevas sustancias de síntesis y sobre los mecanismos de transformación de los materiales residuales, con el fin de que sus efectos no dañan al medio (v. tabla 1).

    Tabla 1. Algunas de las principales áreas de evolución de la química ambiental.

    Se ha de considerar a este respecto que no sólo los agentes químicos más agresivos son perjudiciales, sino que muchos de los componentes habituales de los materiales de desecho presentan tiempos de descomposición que los convierten en elementos ambientalmente nocivos. Por ejemplo, un trozo de tela tarda en torno a cuatro meses en descomponerse y uno de madera unos cuatro años.

    Sin embargo, los envases de aluminio o plástico no biodegradable tienen un tiempo de descomposición cercano a los 500 años. Ello da idea de la imperiosa necesidad de habilitar procedimientos químicos que optimicen la gestión y reciclaje de residuos en todos los medios.

    Otro de los elementos fundamentales a tener en cuenta por los químicos del siglo XXI ha de ser el estudio de compuestos que puedan servir como alternativa a los que causan daños ecológicos progresivos y de gran alcance. Un claro ejemplo de ello está en las sustancias que deterioran la capa de ozono de la estratosfera, privando así a la Tierra de un filtro natural y fundamental contra las radiaciones solares. Otro tanto sucede con especies químicas que potencian el efecto invernadero, contribuyendo a un calentamiento pernicioso de la atmósfera de nuestro planeta. En este sentido, no puede olvidarse la emisión incontrolada de NO2 o SO2, productos que, incorporados a las precipitaciones acuosas, dan lugar a la lluvia ácida, agresora de primera categoría a los ecosistemas.

    La emisión a la atmósfera de humos contaminantes, procedentes de la industria y de los vehículos con combustibles derivados del petróleo, son las principales causas del efecto invernadero, uno de los problemas sobre los que se ha de volcar la investigación química de nuestros días.

    La emisión a la atmósfera de humos contaminantes, procedentes de la industria y de los vehículos con combustibles derivados del petróleo, son las principales causas del efecto invernadero, uno de los problemas sobre los que se ha de volcar la investigación química de nuestros días.

    La labor de los químicos en este sentido debe servir de apoyo a las iniciativas establecidas en el ámbito político para mejorar las condiciones ambientales. Por ejemplo, el Protocolo de Kioto, aprobado en 1997 por las Naciones Unidas y que entró en vigor en 2005, determina que los países desarrollados y los que se hallan en transición a una economía avanzada se comprometen a disminuir sus emisiones de gases de efecto invernadero en un porcentaje no inferior al 5 % en relación con los niveles correspondientes a 1990, durante el llamado primer periodo de compromiso (2008-2012). Obviamente, este acuerdo debe ir acompañado de una ingente labor de investigación química que permita acceder a compuestos que puedan suplir a los más nocivos. Los estudios que se realicen deben también considerar los procesos destinados a reducir la incidencia de estos problemas ambientales globales, como los programas de almacenamiento de CO2. Estos recursos se perfilan como una de las opciones más eficaces y viables para disminuir la incidencia del efecto invernadero.

    En definitiva, la moderna química ha de enfocar sus actividades sobre la base de continuar en la vía de obtención de nuevas sustancias y de conocer los mecanismos que rigen el comportamiento de la materia, pero teniendo siempre en cuenta que se minimicen los efectos ambientales y biológicos, y que se otorgue especial importancia al estudio de los tiempos y mecanismos de degradación de los materiales.

    Líneas de investigación médico-bioquímicas

    En el ámbito de las ciencias de la salud y la bioquímica, las perspectivas de futuro de la investigación química presentan un amplísimo espectro de posibilidades. De hecho, a pesar de los grandes logros obtenidos desde el establecimiento de las bases de las ciencias experimentales (conviene tener presente que la esperanza de vida media pasó de 47 a más de 75 años entre los años 1900 y 2000), son muchas aún las enfermedades que constituyen un desafío para los investigadores médicos, en cuyo marco de acción desempeñan una función esencial los especialistas en química médica y bioquímica (v. tabla 2).

    Tabla 2. Algunas de las principales áreas de evolución de la química médica y bioquímica.

    Los antibióticos y antivirales son uno de los más significados logros de estos científicos, a pesar de lo cual aún son muchas las enfermedades infecciosas que producen elevadas tasas de mortalidad a nivel global, como el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA), el paludismo o la tuberculosis, causantes en conjunto de más del 50 % de la mortalidad en los países en vías de desarrollo. Los desafíos pendientes de las ciencias médicas en general, y de la química médica y farmacéutica en particular, también se centran en patologías no infecciosas como el cáncer, la hipertensión arterial y las alteraciones cardiovasculares, la artritis reumatoide o la enfermedad de Alzheimer, en las que los tratamientos son en muchos casos paliativos, pero no se cuenta aún con compuestos químicos o recursos terapéuticos que permitan índices elevados de curación completa.

    El esquema muestra las localizaciones propuestas para el almacenamiento de CO2 con el fin de reducir las emisiones de este gas a la atmósfera.

    La conclusión de la decodificación del genoma humano en los primeros años de la década de 2000 supuso en la historia del conocimiento científico un hito de dimensiones históricas. La secuenciación de genomas y el establecimiento de la genómica como rama per se de la investigación científica abre impredecibles perspectivas. De hecho, son numerosos los genes que ya se han relacionado con diversas enfermedades, algunas de las cuales se incluyen en la tabla 3. No obstante, es necesario comenzar a obtener logros reales que, en plazos razonablemente breves, permitan diseñar fármacos proyectados de modo específico para cada enfermo y para el caso concreto del trastorno que lo aqueje. Como es obvio, es de esperar que las tasas de eficacia de los medicamentos así desarrollados experimenten un sustancial incremento en relación con los diseñados genéricamente para toda la población.

    Tabla 3. Algunos de los genes relacionados con el desarrollo de enfermedades.

    La primera década del siglo XXI se caracteriza en este contexto por la gestación de la llamada era posgenómica, en la que se abordará la ingente tarea de «leer» e interpretar los 3.500 millones de pares de bases que conforman los ácidos nucleicos del genoma, en la que la ingeniería química y la química computacional desempeñarán un papel de primer orden. Los investigadores químicos habrán de desarrollar complejos trabajos en relación con conceptos como los de proteoma, conjunto de proteínas expresadas por un genoma entero, transcriptoma, o secuencia íntegra de los perfiles de expresión de los mensajes contenidos en los genes, o metaboloma, total de los metabolitos que actúan en las células del organismo.

    La química de los alimentos

    El hambre y la escasez de agua, en especial en los países con menores niveles de desarrollo, serán dos de los grandes problemas a combatir a escala global en los inicios del tercer milenio. La química alimentaria es, pues, otro de los grandes campos de proyección de la moderna investigación química. Uno de los puntos a tener más en cuenta será la consecución de sistemas destinados a promover la inocuidad de las materias de consumo alimentario y de las fuentes de abastecimiento de aguas. Aunque las enfermedades de transmisión alimentaria experimentaron un franco retroceso a lo largo del siglo XX, la Organización Mundial de la Salud (OMS) alertó sobre un repunte de la mortalidad por patologías transmitidas a través de los alimentos o el agua en los primeros años de la década de 2000.

    La inocuidad alimentaria es también un elemento clave en los trabajos sobre seguridad de los organismos genéticamente modificados (OGM), y más concretamente de los polémicos alimentos transgénicos, cuya viabilidad y carencia de consecuencias sanitarias o ambientales es otra de las líneas de investigación en la que los químicos habrán de profundizar.

    Esta rama de la química, en estrecha asociación con la ingeniería genética, tiene otra de sus grandes áreas de proyección en el estudio de los genomas de las plantas de cultivo masivo y de las especies animales destinadas al consumo humano, así como el desarrollo de agroquímicos que permitan obtener elevados rendimientos en la producción de alimentos sin menoscabo ambiental.

    Han de tenerse en cuenta, asimismo, los trabajos destinados a mejorar los sistemas de desalinización y purificación de aguas, labor de primordial importancia, dado que en diversas regiones de la Tierra se prevé una importante disminución de los recursos hídricos. (V. tabla 4).

    Tabla 4. Algunas de las principales áreas de evolución de la química de los alimentos.

    La química computacional

    La moderna investigación química encuentra un área de gran proyección en el estudio de métodos computacionales que permitan predecir con garantías las propiedades y mecanismos de reacción de compuestos desconocidos y que, por ejemplo, ofrezcan los medios necesarios para visualizar las estructuras tridimensionales de las proteínas, de modo que puedan adaptarse las ya codificadas a las deducidas del estudio del genoma humano (v. tabla 5).

    Tabla 5. Algunas de las principales áreas de evolución de la química computacional.

    En este campo de la química, los matraces, tubos de ensayo y probetas han dejado el papel protagonista a potentes sistemas informáticos que ayudan a gestionar los ingentes volúmenes de información con los que en muchos casos se trabaja. Junto a la optimización del conocimiento de la información aportada por la genómica, otra de las áreas de la química computacional que mayor desarrollo está experimentando es la centrada en proyectos de inteligencia artificial orientados a la consecución de moléculas que puedan autorreplicarse y reacciones químicas que puedan autocorregirse. Asimismo, otra de las líneas de investigación química susceptibles de mayor desarrollo es la biónica, disciplina que se ha venido conformando desde la década de 1960 y que se ocupa del diseño y fabricación de sistemas artificiales, basados en la estructura y la funcionalidad de los seres vivos.

    Las investigaciones filogenéticas de las especies vegetales de cultivo es una de las áreas con mayor proyección en el ámbito de la química de los alimentos.

    La química de síntesis

    La química moderna puede considerarse más vinculada que la del pasado a los que probablemente sean algunos de los grandes problemas en el futuro próximo a nivel planetario, como la gestión de recursos alimentarios e hídricos, la aparición de nuevas enfermedades o el mantenimiento del equilibrio ambiental. No obstante, la síntesis de nuevos materiales prevalece como uno de los campos principales en el planteamiento general de esta ciencia. Una de las áreas a desarrollar en este contexto es la de la biocatálisis, el desarrollo de catalizadores biomiméticos que, en el ámbito bioquímico, reproduzcan el comportamiento de enzimas en el organismo (v. tabla 6).

    Tabla 6. Algunas de las principales áreas de evolución de la química de síntesis y materiales.

    Por otra parte, la química de síntesis mantiene dos líneas evolutivas en las que, en el futuro inmediato, se han de registrar notables avances; una de ellas es la de los nuevos materiales, dentro de la cual se distinguen ramas como la nanotecnología y el estudio de materiales inteligentes y la química energética, en cuyo contexto se encuadran las investigaciones sobre biocarburantes como el bioalcohol, el biodiésel o el hidrógeno, y en la obtención de los cuales también están implicados los procesos de biocatálisis.