Mostraron cómo la química puede elegir una de las dos formas especulares de una molécula y amplificarla.
- Muchas moléculas existen en una forma izquierda y otra derecha, como imágenes en un espejo, y la vida usa solo una de ellas.
- Kagan descubrió que los pares de catalizador con una pieza izquierda y otra derecha trabajan despacio, así que la forma mayoritaria gana más de lo esperado.
- Soai creó una molécula que se copia a sí misma y convierte un pequeño desequilibrio casual en un producto casi puro.
El problema de antes
Muchas moléculas, como los aminoácidos, existen en dos formas que son imágenes especulares, como la mano izquierda y la derecha. Los seres vivos usan solo una forma, pero las reacciones normales de laboratorio siempre producían una mezcla a partes iguales de ambas.
Los químicos suponían que la pureza del producto subía en línea recta con la pureza del catalizador, así que un catalizador impuro nunca podría superar esa línea. En 1953, el físico Charles Frank describió las matemáticas para pasar de una mezcla casi igualada a una sola mano. Nadie había mostrado una reacción real que lo hiciera.
Cómo funciona
Tomemos la reacción de Soai. Un compuesto de zinc reacciona con una molécula en forma de anillo llamada aldehído de pirimidina y produce un alcohol. Ese alcohol existe en una forma izquierda y otra derecha, y cada forma acelera la fabricación de más moléculas de su misma forma. Según una de las explicaciones principales, basada en la idea de Kagan, las copias de la misma mano se unen en equipo y trabajan rápido, mientras que los equipos mixtos de izquierda y derecha trabajan mal y dejan atrapada a la forma minoritaria. Una explicación rival sitúa la causa en otro lugar, y los químicos aún debaten cuál es la correcta.
En el trabajo de Soai de 1995, una tanda inicial con un exceso del 5 % de una forma dio un 55 % tras una ronda, un 87 % tras dos y cerca de un 90 % tras cinco. En una prueba posterior, un exceso inicial de solo un 0,00005 % superó el 99,5 % en tres rondas.
Sin ningún desequilibrio deliberado, el azar inclina el comienzo. En 37 pruebas de este tipo, una forma ganó 18 veces y la otra ganó 19 veces.
La fotocopiadora que atasca a su rival
Imagina una sala llena de fotocopiadoras que solo pueden imprimir nuevas fotocopiadoras. Las máquinas zurdas imprimen máquinas zurdas, las diestras imprimen máquinas diestras, y cada vez que una zurda y una diestra quedan emparejadas, se atascan entre sí y se detienen. Si empiezas con solo una o dos máquinas zurdas más que diestras, los atascos eliminan primero a las diestras, y el lado zurdo se queda con la sala. La analogía falla porque las moléculas no toman decisiones: el dominio surge de la velocidad de las reacciones y del azar, y los químicos aún debaten cómo funciona exactamente el «atasco» a nivel atómico.
- Fue la primera demostración en laboratorio del modelo de Frank de 1953 sobre cómo puede surgir una química de una sola mano a partir de una mezcla casi igualada.
- La reacción de Soai amplificó la proporción entre las dos formas por un factor de 630 000, desde un exceso del 0,00005 % hasta más del 99,5 %.
- El efecto no lineal de Kagan es hoy una herramienta importante que usan los químicos para entender cómo funciona un catalizador y para ajustarlo.
- El efecto tiene usos prácticos: químicos de Merck usaron un reactivo hecho con material de partida puro al 70 % y obtuvieron un producto puro al 95 % mientras fabricaban un candidato a fármaco.
- Los fabricantes de medicamentos, sabores, aromas y productos químicos agrícolas necesitan una sola forma especular, y el comité Nobel afirma que estas ideas guían el diseño de esas reacciones.
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Mostraron cómo una pequeña inclinación hacia las moléculas «zurdas» puede crecer como una bola de nieve hasta que casi todas son zurdas, que es como se ve la química de la vida.
A un niño
Algunas piezas diminutas existen en versión zurda y versión diestra, como los guantes. Los seres vivos solo usan un tipo. Estos científicos encontraron una forma de que los guantes se copien a sí mismos, para que unos pocos guantes izquierdos de más se conviertan en un montón entero de guantes izquierdos.
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Muchas moléculas existen en versiones izquierda y derecha, como imágenes en un espejo, y la vida solo usa una versión. Las reacciones de laboratorio suelen dar una mezcla mitad y mitad. Henri Kagan descubrió que un catalizador con piezas izquierdas y derechas mezcladas trabaja despacio, así que la versión mayoritaria sale reforzada. Después, Kenso Soai creó una molécula que fabrica copias de sí misma, de modo que una pequeña ventaja casual crece hasta dar una tanda casi pura.
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Tus manos son imágenes especulares, y muchas moléculas también. La vida es exigente: tus proteínas usan solo una mano de aminoácido. Los químicos nunca pudieron explicar cómo ocurre eso, porque las reacciones normales producen una mezcla a partes iguales. Piensa en una sala llena de fotocopiadoras que imprimen copias de sí mismas, donde una máquina zurda y una diestra se atascan entre sí cada vez que quedan emparejadas. Si empiezas con unas cuantas máquinas zurdas de más, los atascos van eliminando a las diestras hasta que el lado zurdo domina la sala. Kagan encontró la parte del atasco en 1986: los catalizadores hechos con piezas izquierdas y derechas mezcladas trabajan despacio, así que la mano mayoritaria gana más de lo esperado. Soai encontró la parte de la copia: una molécula que acelera su propia producción. En una prueba, una ventaja del 0,00005 % creció hasta más del 99,5 % en tres rondas. Esto demuestra que una química sencilla puede romper el empate por sí sola. Cómo lo hizo la propia vida sigue siendo una pregunta abierta.
- Quiral
- Que tiene una imagen especular que no se puede superponer al original, como la mano izquierda y la derecha.
- Enantiómeros
- Las dos formas especulares de una molécula quiral.
- Homoquiral
- Todo de una misma mano. En griego significa «misma mano». Los aminoácidos y los azúcares de la vida son homoquirales.
- Mezcla racémica
- Una mezcla mitad y mitad de ambas formas especulares, que es lo que producen las reacciones normales.
- Exceso enantiomérico (ee)
- Cuánto más hay de una forma que de la otra, expresado en porcentaje.
- Catalizador
- Una sustancia que acelera una reacción sin gastarse.
- Autocatálisis
- Una reacción cuyo producto acelera la fabricación de más de sí mismo.
- Efecto no lineal
- Cuando la pureza del producto no sube en línea recta con la pureza del catalizador.
- Síntesis asimétrica
- Fabricar a propósito más de una forma especular que de la otra.
Sources, reader versions and the quiz are on the English page.