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‘Plásticos’, los nuevos antibióticos

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Por Gema de la Asunción (CSIC)*

Seguro que conoces a alguien que ha tomado un antibiótico “por si acaso”, o “porque ayuda a las defensas” o porque, en todo caso, “daño no nos va hacer”. Por ejemplo, entre los años 60 y 80 los médicos recetaban mucho las tetraciclinas para tratar catarros y anginas. Entonces no se sabía que este fármaco tiene ‘apego’ por los dientes y se deposita en ellos durante su actividad metabólica, así que cuando se administra a un niño menor de 12 años, afecta al desarrollo de sus huesos y puede teñir su dentadura de color amarillo para el resto de su vida.

 La tetraciclina fue a menudo recetada como antibiótico entre los años 60 y 80 / Rillke / Wikipedia

La tetraciclina fue a menudo recetada como antibiótico entre los años 60 y 80 / Rillke / Wikipedia

Lo de los dientes no deja de ser más un problema estético… Pero lo que verdaderamente preocupa a los científicos es el incremento alarmante de las resistencias provocadas por la administración excesiva e irresponsable de estas medicinas. El microorganismo se hace resistente al antibiótico y este deja de funcionar. Si el descubrimiento de la penicilina inauguró “la era de los antibióticos” e incrementó la esperanza de vida de forma exponencial, el problema de las resistencias provoca cada año 25.000 muertes en Europa.

Por ello se buscan nuevas formas de combatir infecciones más allá de los antibióticos tradicionales, cuya desventaja consiste en que, al atacar solo mediante la vía metabólica, los microbios logran desarrollar un mecanismo de resistencia en una o dos décadas.

Uno de estos nuevos métodos es el uso de polímeros con actividad antimicrobiana. Estos compuestos químicos están formados por la unión repetida de unidades llamadas ‘monómeros’ que forman largas cadenas. Basándose en esta tecnología, investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros (ICTP) del CSIC han desarrollado una nueva familia de polímeros con actividad antimicrobiana. ¿En qué se diferencian de un antibiótico tradicional?

 La bacteria Escherichia Coli, causante de diarreas y dolores estomacales, podría ser combatida con estos nuevos antibióticos / Wikipedia

La bacteria Escherichia Coli, causante de diarreas y dolores estomacales, podría ser combatida con estos nuevos antibióticos / Wikipedia

“Como tienen carga positiva, los nuevos polímeros solubles en agua atraen mediante interacciones electrostáticas a las bacterias cuya membrana celular está cargada negativamente. Al producirse esta interacción, la membrana se destruye y provoca la muerte del hongo o bacteria”, explica Marta Fernández-García, investigadora del ICTP responsable del trabajo. Al morir, el microorganismo no puede mutar y, por tanto, hacerse resistente.

El estudio también confirma que estos materiales, que se obtienen de manera sencilla mediante un método de polimerización convencional, son eficaces a baja concentración contra los patógenos, pero resultan inocuos frente a los glóbulos rojos. Esta es una novedad importante porque aunque en investigaciones previas se habían conseguido moléculas efectivas, se daba la paradoja de que cuanto más activo era el sistema, mayor toxicidad generaba en el organismo.

Las aplicaciones de estos compuestos son prometedoras en la búsqueda de nuevos fármacos con los que tratar enfermedades causadas por Escherichia Coli o Staphylococcus Aureus, resistentes a los ‘últimos cartuchos’ de antibióticos convencionales, pero también podrían usarse en otros campos como la preservación de alimentos y su envasado, pinturas y recubrimientos o industria textil.

 

* Gema de la Asunción trabaja en la Unidad de Cultura Científica del Centro de Química Orgánica “Lora-Tamayo” (CENQUIOR) del CSIC.

¿Por qué una botella de plástico se ablanda con el calor?

jccanalda70Por José Carlos Canalda (CSIC)*

Es una imagen cotidiana y que hemos visto mil veces: una botella de agua (vacía, claro está) que con altas temperaturas se retuerce y se derrite. A menudo nos encontramos con una serie de fenómenos físicos o químicos que, por habituales, suelen pasar desapercibidos. Por ejemplo, ¿se han parado a pensar por qué algunos materiales poliméricos, como el polietileno de las bolsas de plástico o el caucho, son flexibles, mientras que otros, como el PVC o el metacrilato, son rígidos? (Empleo el término ‘materiales poliméricos’ y no ‘plásticos’ porque, si bien todos los plásticos son polímeros, otros polímeros no son plásticos, como ocurre con el caucho o con productos naturales como la celulosa o las proteínas).

Cuestión de flexibilidad

    Con el calor, los crisstales se transforman en líquidos, pero los vidrios, como es el caso de las botellas, se reblandecen / A. Foncubierta (Flickr)

Con el calor, los cristales se transforman en líquidos, pero los vidrios, como las botellas, se reblandecen / A. Foncubierta (Flickr)

La razón está en una magnitud física denominada transición vítrea que, aunque no es exclusiva de estos materiales, sí es típica de ellos debido a su peculiar estructura interna. La transición vítrea es el cambio de un estado flexible a otro rígido, o viceversa. Es un fenómeno que está asociado a los sólidos amorfos o vítreos, de ahí su nombre, y que no se presenta en los materiales cristalinos. Veamos por qué.

Mientras los cristales se funden transformándose en líquidos, los vidrios se van reblandeciendo conforme los calentamos. Esto se debe a que un vidrio es en realidad un líquido subenfriado, es decir, un material con la misma estructura interna de un líquido -amorfos ambos- pero con una viscosidad tan alta que sus moléculas carecen de libertad de movimiento. Entonces, no hay una diferenciación clara, a modo de cambio de fase, entre un líquido y un vidrio pastoso.

Donde sí hay diferencias es entre un vidrio flexible y uno rígido, aunque en ambos casos el material sigue siendo amorfo. La rigidez se debe a que las moléculas que constituyen el material están confinadas sin capacidad de desplazarse, mientras que la flexibilidad existe cuando éstas disponen de cierta libertad de movimiento, aunque inferior a la que presentan los líquidos.

Desde un punto de vista físico la transición vítrea no es un cambio de estado, tal como ocurre con la fusión o la evaporación. La diferencia es fácil de entender. Si cogemos agua a temperatura ambiente y le aplicamos calor, lo primero que empieza a hacer es calentarse, incrementándose su temperatura. Pero cuando alcanza los 100º C -en realidad la temperatura exacta de ebullición depende de la presión- y comienza a hervir, la temperatura se queda clavada en ese valor, ya que el calor que le seguimos suministrando se consume ahora no en un aumento de temperatura, sino en el proceso de evaporación. No será hasta que toda el agua se haya evaporado, cuando el vapor resultante comience a calentarse de nuevo. Lo mismo ocurre con cualquier otro cambio de fase, de manera que, si bien podemos tener hielo por debajo de 0º C, una mezcla de agua y hielo en equilibrio termodinámico tendrá que estar forzosamente a esa temperatura hasta que se funda todo el hielo o hasta que se congele toda el agua, según calentemos o enfriemos.

    La transición vítrea es el cambio de un estado flexible a otro rígido, o viceversa.  / Wikipedia

La transición vítrea es el cambio de un estado flexible a otro rígido, o viceversa. / Wikipedia

Sin embargo, en la transición vítrea no ocurre esto, ya que mientras tiene lugar la transformación de rígido a flexible, o viceversa, la temperatura sí varía. Por eso no es un verdadero cambio de fase, aun cuando sus efectos sean ciertamente notables. Se la denomina transición de segundo orden.

Volvamos a los polímeros. Tal como comenté en un post anterior, éstos se caracterizan por ser materiales semicristalinos -aunque los hay amorfos-, estando formados por regiones cristalinas que se intercalan entre otras amorfas. Así pues, además de una temperatura de fusión en la que la fracción cristalina se funde, los polímeros suelen presentar además una temperatura de transición vítrea, que es la que determina que sean flexibles o rígidos a temperatura ambiente.

Los polímeros flexibles son aquellos cuya temperatura de transición vítrea está por debajo de la temperatura ambiente. La del polietileno es de -125º C, la del caucho sintético, -120º C; y la del caucho natural, -75º C, por poner tan sólo unos ejemplos. En el extremo opuesto están los polímeros rígidos cuya temperatura de transición vítrea es mayor que la temperatura ambiente, como el PVC (80º C), el metacrilato (120º C), el poliestireno (100º C) o el PET de las botellas de agua (60º C). En todos los casos esta magnitud es característica de cada tipo de polímero.

Si calentamos un polímero rígido hasta hacerle rebasar su temperatura de transición vítrea -sin alcanzar el punto de fusión, porque entonces se derretiría-, se hará flexible; así, una botella de plástico calentada por encima de 60º C se volverá blanda y se aplastará, al no poder soportar su propio peso. Justo al contrario, si introducimos un tubo de goma en nitrógeno líquido, a casi 200º C bajo cero, éste se volverá duro y frágil como el cristal… perdón, quería decir como el vidrio.

 

* José Carlos Canalda es doctor en ciencias químicas y pertenece al Instituto de Estructura de la Materia (CSIC). También mantiene una sección dedicada a la divulgación científica en su página personal http://www.jccanalda.es/

Sólido, líquido, gaseoso, plasma… ¿Hay más estados de la materia?

jccanalda70Por José Carlos Canalda (CSIC)*

Todos hemos estudiado en el colegio que los estados de la materia eran tres: sólido, líquido y gaseoso. También habremos leído que el cuarto estado de la materia era el plasma, en realidad un gas cargado eléctricamente. Pero aparte de estos cuatro, ¿puede considerarse que hay más estados de la materia? Pues por ejemplo, si tenemos en cuenta que en realidad el estado sólido no es tal, sino un conjunto de diferentes formas de ‘solidificarse’ la materia, sí.

Los cristales son sólidos donde los átomos están colocados de forma ordenada / Josefina Perles Hernáez (FOTCIENCIA11)

Los cristales son sólidos donde los átomos están colocados de forma ordenada / Josefina Perles Hernáez (FOTCIENCIA11)

Aunque sabemos identificar de forma intuitiva un sólido, basta con estudiar su estructura interna para encontrarnos con diferencias muy importantes según estén distribuidas las partículas que lo componen (átomos, moléculas o iones, según el caso). También es relevante la movilidad relativa de estas partículas entre sí, es decir, su capacidad de moverse unas con respecto a otras.

Para empezar, es necesario diferenciar entre los cristales y los vidrios, advirtiendo que para los químicos los términos ‘cristal’ y ‘vidrio’ no tienen nada que ver (es más, son opuestos) con el uso habitual que se hace de ellos. Lo que llamamos cristal, como por ejemplo el de una botella, es en realidad un vidrio desde el punto de vista químico.

Las botellas no son cristales sino vidrios / Ardelfin

Las botellas no son cristales sino vidrios / Ardelfin

La diferencia entre ambos tipos de sólidos estriba en la forma en la que están constituidos ‘por dentro’: en un cristal las partículas que lo componen están rígidamente ordenadas siguiendo unas pautas geométricas determinadas, mientras que en un vidrio éstas se distribuyen al azar sin ningún tipo de orden, por lo que también podemos hablar de materiales amorfos. Los cristales serían el equivalente a un desfile militar y los vidrios a una calle llena de peatones paseando despreocupadamente. Así pues, el concepto diferenciador entre ambos es el de orden-desorden. Por cierto, un cristal no tiene por qué ser transparente -el diamante lo es, pero la pirita no- y, asimismo, hay vidrios transparentes -el de las botellas- y vidrios opacos, como la obsidiana o el ópalo.

La cosa se complica todavía más si consideramos que entre los cristales (orden total en las tres dimensiones) y los vidrios (desorden total en las tres dimensiones) podemos encontrarnos con situaciones intermedias, tal como ocurre con los polímeros. Estos materiales, cuyos componentes más conocidos son los plásticos, están constituidos por unas moléculas de gran tamaño, o macromoléculas, formadas por el ensamblado de otras más pequeñas, de forma similar a los eslabones de una cadena. Debido a sus dimensiones, para estas moléculas es difícil cristalizar, es decir, colocarse de una manera ordenada, razón por la cual en muchos polímeros se alternan las regiones cristalinas con las regiones amorfas, siendo por lo tanto unos materiales semicristalinos… Aunque no todos, ya que también existen polímeros amorfos. Lo que nunca podremos encontrar será polímeros completamente cristalinos.

Las partículas que componen os cristales están rígidamente ordenadas, mientras que en el caso de los vidrios se distribuyen al azar / Wikipedia

Las partículas que componen los cristales están rígidamente ordenadas, mientras que en el caso de los vidrios se distribuyen al azar / Wikipedia

Existen también unas estructuras intermedias denominadas mesofases, en las cuales nos encontramos con diferentes tipos de orden parcial; pero no como ocurría en los polímeros, en los que las regiones cristalinas al 100% alternaban con regiones amorfas también al 100%, sino de otra manera diferente, con orden total en una o dos de las tres dimensiones y desorden también total en las restantes. Éste es el caso de los cristales líquidos (móviles, pantallas táctiles, etc.), de los cuales existen dos grupos principales -aunque hay varios más- según sus átomos estén ordenados en una dirección, como ocurre con un manojo de espárragos, o en dos, tal y como sucede con un puñado de monedas desparramadas en una mesa. Sus nombres respectivos son nemáticos -del griego ‘nema’, ‘hilo’- y esmécticos.

Para terminar, nos encontramos con los cuasicristales, que poseen una estructura ordenada pero no periódica, es decir, que no se repite indefinidamente; y también con los cristales plásticos, en los cuales las moléculas que los conforman están distribuidas de una forma regular, pero gozan de cierta libertad de movimientos que les permite rotar parcialmente sobre su punto de equilibrio sin llegar a romper la estructura geométrica del cristal.

 

* José Carlos Canalda es doctor en ciencias químicas y pertenece al Instituto de Estructura de la Materia (CSIC). También mantiene una sección dedicada a la divulgación científica en su página personal http://www.jccanalda.es/