La vida en el planeta Tierra tiene unos 3.800 millones de años. Hasta donde sabemos hoy, los seres humanos de nuestra especie llevamos aquí apenas poco más de 200.000. Si bien la vida nos lleva mucha ventaja, de a poco vamos descubriendo algunos de sus secretos. Además de maravillarnos con ellos y crear cultura, a algunos los adaptamos o los usamos como inspiración para desarrollar cosas en nuestro provecho. Precisamente eso es lo que hicieron el alemán Benjamin List, hoy director del Instituto Max Planck de Investigación sobre el Carbono en Alemania, y el inglés David MacMillan, de la Universidad Princeton, en Estados Unidos (¡y todos los colegas que trabajaron junto con ellos!). Y por ese aporte, que establece una tercera forma de realizar catálisis químicas inspirada en las enzimas, proteínas que los seres vivos fabricamos para acelerar distintas reacciones, es que la academia sueca decidió entregarles el Nobel de Química en este 2021.

Según señala el comité del premio, MacMillan y List reciben el Nobel de Química “por el desarrollo de una nueva herramienta precisa para la construcción de moléculas: la organocatálisis”. También expresa que esta novedosa forma de acelerar reacciones químicas “ha tenido un gran impacto en la investigación farmacéutica y ha hecho que la química sea más verde”.

La historia del desarrollo de esta organocatálisis asimétrica es curiosa, porque una vez más muestra cómo grupos de investigación independientes –lo decimos otra vez: los nobeles se dan a título personal, pero los hallazgos o trabajos relevantes fueron, por lo general, realizados por equipos de varios investigadores e investigadoras– pueden estar trabajando en lo mismo y obteniendo resultados muy similares sin estar en contacto entre ellos. Tal vez uno de los casos más resonados sea el de la selección natural y el origen de las especies, que obligó a Charles Darwin a comunicar su teoría ni bien supo que David Wallace tenía avanzado un trabajo que iba por la misma línea. Al igual que Darwin y Wallace, MacMillan y List no se copiaron, sino que buscaban una solución para un mismo problema: ¿cómo obtener un catalizador que no fuera basado en metales?

¡Lo quiero antes!

No hacemos mal en pensar que la digestión se lleva a cabo en el estómago. Sin embargo, ya en la boca los alimentos comienzan a tratarse para que luego asimilemos mejor sus nutrientes. De ello son responsables algunas enzimas, como la alfa amilasa, que descompone hidratos de carbono. Las enzimas son catalizadores, es decir, sustancias que controlan o aceleran las reacciones químicas sin convertirse en parte del producto final de la reacción.

Hasta los descubrimientos de MacMillan y List, en el año 2000, todos los catalizadores conocidos eran enzimas –proteínas, por lo general– o metales. Y la importancia de desarrollar nuevos y mejores catalizadores en el mundo moderno queda de manifiesto con el dato, suministrado por la academia sueca, de que 35% del producto interno bruto global involucra de alguna manera catálisis químicas.

La catálisis mediante metales presentaba algunos problemas. Si bien eficiente para interferir entre las uniones eléctricas de las moléculas, algunos de estos metales son muy sensibles al oxígeno y al agua, por lo cual requieren entornos sin oxígeno ni humedad para funcionar bien. Por otro lado, muchos de los catalizadores metálicos usados son metales pesados, elementos que en general no son muy amigables con el ambiente. Asimismo, las enzimas pueden llegar a ser moléculas relativamente grandes, por lo que quedaba la duda de si de alguna manera eso se podía simplificar, si toda la molécula de las enzimas era responsable de la catálisis o si podríamos fijarnos en algunas partes de ella para ver si la naturaleza nos inspiraba a encontrar una forma sencilla de acelerar y controlar las reacciones. Más sencilla, además, en procesos industriales implica más barato. Y eso fue lo que encontraron los químicos hoy premios nobeles.

List está listo

Antes de ver lo de List agreguemos otro ingrediente a esta historia. Cuando se forma una molécula, puede adoptar dos formas distintas. El ejemplo que se utiliza siempre para bajar esto a tierra es el de nuestras manos. Si bien son iguales –tienen cinco dedos, etcétera–, si las queremos poner una sobre otra sin dar vuelta ninguna de las dos, su principal diferencia salta a la vista. Presentan una simetría bilateral: la mano izquierda es como si viéramos la mano derecha reflejada en un espejo colocado en el centro de nuestro cuerpo. En las moléculas eso también se da y se llama quiralidad: si bien son idénticas, no se pueden superponer. De acuerdo a cómo reflejan la luz se puede saber si la molécula es nuestra mano izquierda o derecha (levógira o dextrógira). El asunto es que a la hora de buscar moléculas que interactúen en nuestro organismo, no será lo mismo si son derechas o izquierdas. Y entonces un catalizador que produzca indistintamente una de otra será menos útil que uno que produzca moléculas de forma asimétrica, es decir, más izquierdas que derechas o viceversa. Y ese es el otro gran aporte de List y MacMillan: desarrollaron la organocatálisis asimétrica, es decir, que permite controlar de forma predecible la estructura espacial de la molécula resultante.

Según reseña la academia sueca, List venía trabajando con anticuerpos catalíticos cuando “comenzó a preguntarse cómo funcionan realmente las enzimas”. Entonces se permitió preguntarse si era necesaria toda la gran estructura de la enzima, o si tal vez una parte más pequeña de ella –un aminoácido– era capaz de realizar el mismo truco. Con eso en mente, trabajó con la prolina, un aminoácido que en la década de 1970 se había usado como catalizador, pero que por alguna razón nadie había seguido investigando. Así que lo usó para catalizar un tipo de reacción –la aldólica, para quien quiera profundizar– y le salió bien. No sólo eso: también observó que las moléculas obtenidas eran o más izquierdas o más derechas, es decir, que la catálisis obtenida era asimétrica. Sus resultados fueron dados a conocer en un artículo publicado en febrero de 2000 titulado “Reacciones aldólicas asimétricas directas catalizadas por prolina”. Luego siguió profundizando ese camino.

Segundo pero con más visión

David MacMillan no estaba al tanto de lo que acababa de lograr List en Alemania. Estaba obsesionado con encontrar catalizadores no metálicos, ya que para la industria las condiciones libres de oxígeno y humedad necesarias para que funcionaran eran complicadas. Dice el comité de la academia sueca que MacMillan buscó, dados sus conocimientos de química orgánica, qué moléculas podrían tener más chances de hacer lo que hacían los metales, es decir, debilitar los enlaces de electrones entre los átomos. Así que apuntó a unas en particular que eran capaces de generar un ion de imino.

Al probar varias de estas moléculas buscando una reacción química –la de Diels-Alder–, dio con lo que buscaba. Y, nuevamente, el resultado era asimétrico: de cada diez moléculas, nueve pertenecían a una de las dos formas posibles. Había dado con algo nuevo, y, sabiendo que las cosas nuevas precisan un nombre, bautizó a esta catálisis con el nombre en que hoy se conocen: organocatálisis. Envió su artículo a publicar en el mismo mes de febrero de 2020, pocos días antes de que el de List saliera publicado. “Nuevas estrategias para la catálisis orgánica: la primera reacción organocatalítica de Diels-Alder altamente enantioselectiva” se publicó en abril y lleva la firma de Kateri Ahrendt y Christopher Borths, además de la de David MacMillan.

Un mundo mejor

Según reseña el comité que los galardonó, el diseño de una gran cantidad de organocatalizadores asimétricos económicos permite hoy “construir de manera más eficiente cualquier cosa, desde nuevos productos farmacéuticos hasta moléculas que pueden capturar la luz en las células solares”.

Al sacar a los catalizadores metálicos del medio y al aumentar la eficiencia de las enzimas en algunos casos, el comité emplea la palabra “verde” y “eficiencia”. “Los organocatalizadores están aportando un gran beneficio a la humanidad”, sostiene.

De esta manera, finalizan los tres premios Nobel otorgados a las ciencias “duras” o “experimentales”, o como se las quiera llamar. Fueron descubrimientos y desarrollos que hacen al mundo mejor. Sin embargo, es imposible dejar de ver que en las tres categorías se premió a siete investigadores. Los siete son hombres. Dos investigan en el Instituto Max Plank de Alemania, dos en la Universidad de Princeton, en Estados Unidos. Hay otros dos laureados que también investigan en universidades del gigante norteamericano. Queda claro que hacen falta organocatalizadores para acelerar la reacción que haga que el mundo de la ciencia sea un poco más plural, más justo, más equitativo y menos sesgado”