6.1: Preludio a la reactividad orgánica

El 5 de septiembre de 1966, resultó ser un muy buen día para Hudson Freeze. Licenciado en microbiología en la Universidad de Indiana, estaba a unas semanas del primer día de clases en su tercer año, pero en este día de septiembre estaba muy lejos del calor y humedad opresivos de finales del verano en el medio oeste. En cambio, estaba trabajando en el borde de Mushroom Spring en el Parque Nacional Yellowstone, una de las muchas aguas termales geotérmicas por las que el parque es tan famoso.

Al final de su segundo año, Freeze se había acercado al Dr. Thomas Brock, uno de sus profesores de microbiología, para preguntarle sobre la posibilidad de trabajar como asistente de investigación durante el verano. Brock lo aceptó en la oferta, invitándolo a salir a Yellowstone por algunas semanas a fines del verano para ayudar con algunos trabajos de campo.

Durante los últimos años, Brock había estado estudiando microbios que habitaban las aguas termales: estos organismos 'extremófilos' le fascinaban porque parecían prosperar en condiciones que hasta hace muy poco se pensaba que eran demasiado calientes para mantener la vida. El límite superior actualmente aceptado en el que se creía posible la vida era de 73 ºC, pero durante su trabajo en Yellowstone el verano anterior Brock estaba convencido de que había observado vida microbiana —una bacteria filamentosa de color rosa- en agua tan caliente como 88 ºC. Desafortunadamente, todos sus intentos de cultivar estas formas de vida en el laboratorio no habían tenido éxito. Había decidido centrar sus esfuerzos este verano en Mushroom Spring, donde el agua era de 73 ºC, justo en el supuesto límite de por vida, y asignó a Freeze la tarea de recolectar muestras microbianas de las aguas del manantial. El 5 de septiembre, Freeze recolectó una muestra prometedora, que llevó de regreso a un laboratorio improvisado en la cabina de Brock para prepararse para el transporte de regreso a Indiana.

Unas semanas después, trabajando en el laboratorio de su profesor entre clases y tareas, Freeze se dedicó al reto de averiguar cómo conseguir que sus microbios crecieran fuera de su entorno natural, para que pudiera aislarlos y eventualmente caracterizarlos. El trabajo fue frustrante al principio: al intentar que la bacteria crezca en un medio líquido, nunca observó la turbidez característica que suele indicar el éxito. En algunas muestras, sin embargo, sí observó la aparición de cristales de sal en el fondo de los tubos de ensayo. Permitió que estas muestras se incubaran por unos días más, y notó que se habían formado más cristales. Solo para ser minucioso, decidió mirar algunos de los cristales bajo un microscopio, y se llevó el premio gordo. Aferrándose a los propios cristales estaban las formas reconocibles de las células microbianas.

En trabajos posteriores con Thomas Brock, Freeze pudo mejorar sus técnicas de cultivo y caracterizar la nueva especie de bacteria, que posteriormente se denominó Thermus aquaticus, o 'Taq' para abreviar. También pudo demostrar que las enzimas aisladas de la bacteria permanecieron intactas y activas incluso en agua hirviendo.

A pesar de que Yellowstone es un lugar hermoso para pasar unas semanas en el verano haciendo trabajo de campo, resultó que hacer el viaje a Wyoming no era realmente necesario — Thomas Brock más tarde pudo aislar cultivos de Taq de muestras tomadas del sistema de agua caliente allí mismo en la Universidad de Indiana campus, así como de muchos otros entornos de agua caliente en todo el mundo. Brock y Freeze publicaron un artículo en el Journal of Bacteriology (1969, 98, 289) describiendo sus especies recién descubiertas, y donaron cultivos vivos de Taq a la American Type Culture Collection, un repositorio biológico en Washington D.C.

Años después, un científico llamado Kary Mullis que trabajaba en Cetus, una empresa de biotecnología en el área de la Bahía de San Francisco, compró una cultura de Taq -descendiente directo de la misma cultura que Hudson Freeze había tomado de Mushroom Spring el 5 de septiembre de 1966- del repositorio de la ATCC. Cetus pagó $35 por la muestra. Resultó ser una inversión bastante buena.

Mullis y sus colegas de Cetus estaban intrigados por el informe de Freeze años antes de que las enzimas aisladas de Taq eran estables a altas temperaturas, a diferencia de las enzimas aisladas de E. coli y otros organismos modelo comunes. Cultivaron su muestra de Taq, purificaron la enzima ADN polimerasa copiadora de ADN de las células Taq, y utilizando la polimerasa termoestable pudieron llegar a un método notablemente eficiente para copiar tramos cortos de ADN. Su 'reacción en cadena de la polimerasa', o PCR, pasó a revolucionar los campos de la biología molecular/celular y la bioquímica —lee la sección experimental de cualquier trabajo de investigación reciente en uno de estos campos y lo más probable es que veas que los investigadores utilizaron PCR. Si tomas un curso de laboratorio de biología molecular, probablemente realizarás al menos un procedimiento de PCR. Cuando tu profesor compre la enzima Taq polimerasa purificada y otros reactivos para su laboratorio, parte del precio se destinará al pago de regalías al gigante farmacéutico Hoffmann-LaRoche: Kary Mullis y Cetus obtuvieron una patente por su proceso de PCR, y en 1992 vendieron derechos de patente a Hoffmann-LaRoche por 300 millones de dólares. Mullis fue galardonado con el Premio Nobel de Química 1993 por su trabajo en PCR.

Lo que hace que la técnica de PCR sea tan poderosa es que aprovecha un catalizador biológico -la enzima ADN polimerasa producida naturalmente por el microbio Taq- para incrementar enormemente la velocidad de una reacción química muy específica y muy útil, bajo condiciones ambientales (alta temperatura) que hasta entonces habían sido fatales para otras enzimas. La polimerasa Taq, la molécula de $300 millones, es el ejemplo más visible (¡por ahora!) de cómo los científicos podrían aprovechar el poder de la catálisis biológica con gran ventaja, pero muchos investigadores están trabajando duro, en Yellowstone y muchos otros lugares del mundo, escribiendo más capítulos en la historia que inició Hudson Freeze y Thomas Brock en un día de septiembre de 1966.

Hasta este punto, nos hemos estado enfocando en la estructura de las moléculas orgánicas: esencialmente, cómo se juntan estas moléculas. Ahora nuestro enfoque se desplaza hacia el estudio de la reactividad: lo que sucede, en otras palabras, cuando los enlaces covalentes dentro de una molécula se rompen y se forman nuevos enlaces covalentes, ya que la molécula A se transforma en molécula B. La historia de Taq y PCR se centra en una reacción bioquímica: la polimerización del ADN a partir de una ADN existente 'plantilla'. Estamos a punto de comenzar nuestra exploración de la reactividad química: cómo se representa una reacción en papel, si absorbe o libera energía, qué tan rápido va y cómo un catalizador podría ser capaz de hacerla ir mucho más rápido.

En tus anteriores cursos universitarios de química general y química de secundaria (y quizás también en cursos de biología), sin duda has visto muchos ejemplos diferentes de reacciones químicas. Lo más probable es que estas reacciones fueron representadas por ecuaciones químicas, mostrando los materiales de partida (reactivos) y los productos terminados conectados por una 'flecha de reacción'. En la mayoría de los casos, no se consideraron las estructuras de los reactivos y productos, se definieron solo por la fórmula molecular y quizás por el estado físico (sólido, líquido, gas o solución). La siguiente reacción, que muestra la descomposición del pentóxido de dinitrógeno (\(\ce{N2O5}\)) a dióxido de nitrógeno y oxígeno, es un ejemplo típico del tratamiento de la 'ecuación' de la reactividad química que podrías haber visto en tu libro de texto de Química General.

\[\ce{N2O5 (s) -> 2NO2 (g) + 1/2 O2 (g)}\]

Esta forma de hablar sobre las reacciones químicas es perfectamente adecuada en las clases introductorias de química, cuando se explican por primera vez conceptos químicos fundamentales como la estequiometría, la termodinámica y la cinética. En química orgánica, comenzando con este capítulo, iremos mucho más allá. Sin duda revisaremos los importantes conceptos fundamentales de termodinámica y cinética que aprendiste anteriormente. Pero en nuestra discusión sobre la reactividad orgánica, pondremos en escena nuestra comprensión de la estructura orgánica y pensaremos en cómo ocurren las reacciones: qué enlaces se rompen, qué enlaces se forman, por qué se rompe o se forma un vínculo particular, el orden en que se produce la ruptura y formación de enlaces, y la naturaleza de cualquier especie intermedia que pueda formarse durante el transcurso de la reacción. También pensaremos en cómo los catalizadores -enzimas en particular- son capaces de aumentar la velocidad de una reacción en particular. En conjunto, una descripción de una reacción química a este nivel se denomina mecanismo de reacción. Comenzando aquí, y continuando a lo largo del resto del texto, nuestro trabajo principal será comprender los mecanismos de los tipos más importantes de reacciones que experimentan las moléculas orgánicas en los organismos vivos.