Los puntos cuánticos ganan el Premio Nobel de Química de 2023

Desde principios de la década de 1980, cuando los científicos Alexei Ekimov, Louis Brus y Alexander Efros descubrieron los puntos cuánticos, esta tecnología ha llegado con rapidez a un amplio abanico de aplicaciones de gran alcance. El camino hacia el Premio Nobel ha estado repleto de hitos fundamentales (figura 1), pero la perseverancia y la voluntad de seguir avanzando de estos investigadores han logrado, al fin, el reconocimiento del Comité del Nobel.

Estos nanocristales semiconductores de puntos cuánticos (como el seleniuro y el sulfuro de zinc, el arseniuro de indio y galio, la perovskita de yoduro de cesio y plomo o el grafeno) han revolucionado las pantallas, como las LED de alto brillo, y han mejorado la precisión del color y la eficiencia energética. Un buen ejemplo de esto fue la llegada de los televisores comerciales de puntos cuánticos en 2013.

Su fluorescencia dependiente del tamaño también ha desempeñado un papel fundamental en el avance de las energías renovables, en particular en las células fotovoltaicas. La preparación sostenible de los puntos cuánticos a temperatura ambiente en soluciones coloidales ha abierto la puerta a un abanico más amplio de aplicaciones con una excepcional capacidad de adaptación, como la fotocatálisis para la generación de hidrógeno o la reducción de los contaminantes orgánicos. También desempeñan un papel importante en la obtención de imágenes biomédicas, un campo en el que se han convertido en una herramienta crucial para la administración precisa de fármacos y el diagnóstico de enfermedades como el cáncer.

La influencia de los puntos cuánticos sigue aumentando con avances como los LED de puntos cuánticos, la inspección por partículas ferromagnéticas, los fotoconductores y los fotodetectores, y hay un enorme potencial de uso en los láseres de puntos cuánticos y los ordenadores cuánticos, lo que demuestra su creciente impacto en la ciencia y la tecnología.

El camino hacia el Premio Nobel ha sido largo, pero las oportunidades y las repercusiones de esta tecnología tienen un enorme alcance. Hoy en día, se están realizando nuevas investigaciones en áreas de la nanomedicina que están transformando la administración de fármacos, el diagnóstico y la obtención de imágenes biomédicas, la electrónica de consumo o la energía sostenible, y se ha abierto la puerta a un número aún mayor de oportunidades de catálisis sostenible en el futuro.   

¿Cuáles son las ideas a las que menos atención se ha prestado y que merecen un Premio Nobel?

Mientras la comunidad científica se prepara para la temporada de los Nobel, nosotros nos divertimos haciendo pronósticos y conjeturas e intercambiando ideas sobre los posibles ganadores. Sin embargo, este año vamos a afrontar de un modo novedoso la temporada de los Nobel, ya que hemos pedido a nuestros científicos que nos hablen de los descubrimientos que más les sorprende que aún no hayan ganado este prestigioso galardón. Le invitamos a participar en la conversación en LinkedIn, donde repasamos algunos de los avances científicos más extraordinarios e influyentes que todavía no han ganado un Premio Nobel. Estos descubrimientos van desde el nivel nanomolecular hasta gigantescas pantallas OLED y tienen implicaciones en los campos de la química, la biología y la medicina. Participe en la conversación y vote en la encuesta de LinkedIn, donde revelaremos nuestras ideas sobre los descubrimientos que se han pasado por alto y que aún no han ganado este galardón.

Cómo pueden iluminar los OLED el Premio Nobel

Hoy en día, los OLED están por todas partes: teléfonos, reproductores multimedia, sistemas de videojuegos portátiles, iluminación e incluso radios para coches. Esta tecnología se debe a los químicos Ching Wan Tang y Steven Van Slyke, que crearon el primer dispositivo OLED práctico en 1987 mientras trabajaban en Eastman Kodak. Ese avance preparó el terreno para una nueva generación de tecnologías de visualización en diversos sectores.

Un diodo orgánico de emisión de luz (OLED, Organic Light-Emitting Diode) es un diodo de emisión de luz (LED) en el que la capa electroluminiscente emisora es una película de un compuesto orgánico que emite luz en respuesta a una corriente eléctrica. Esta capa orgánica está situada entre dos electrodos. Normalmente, al menos uno de esos electrodos es transparente. Al tratarse de materiales ligeros, se pueden fabricar en sustratos plásticos flexibles, ofrecen una calidad de imagen superior y se pueden imprimir en cualquier sustrato adecuado con una impresora de inyección de tinta.

CAS ha indexado más de 113 000 documentos relacionados con OLED en diversas áreas de aplicación desde que Tang y Van Slyke crearon el primer dispositivo práctico en 1987.  Con 30 000 revistas y 80 000 patentes, esto ilustra su enorme importancia en el desarrollo tecnológico.

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Los méritos de las estructuras metal-orgánicas para el Premio Nobel

La creación de estructuras de materiales porosas, complejas y ajustables mediante el ensamblaje de bloques moleculares sencillos fue inviable durante mucho tiempo. Sin embargo, desde la década de 1990, cuando fueron descubiertas por Omar M. Yaghi y Makoto Fujita, las estructuras metal-orgánicas (MOF, Metal-Organic Framework) han demostrado un gran potencial. Al unir átomos o grupos de metales (como Zn o Cu) a compuestos orgánicos (como los carboxilatos o los imidazolatos), las estructuras metal-orgánicas combinan nanoestructuras rígidas controladas con precisión y una funcionalización química que los materiales porosos tradicionales no podían ofrecer.

Las MOF se pueden ajustar con exactitud variando la naturaleza del metal y los componentes de moléculas orgánicas, así como el método de preparación (como la síntesis solvotermal o hidrotermal) y el disolvente orgánico. Alterar el área superficial y las propiedades basadas en la adsorción, junto con las propiedades electrónicas, magnéticas y luminiscentes, también abre la puerta a una amplia gama de aplicaciones. Lo que comenzó como un conjunto de materiales prometedores para la captura, la separación y el almacenamiento de gases (como el hidrógeno, el dióxido de carbono y el oxígeno) y para la catálisis heterogénea, ha ampliado su alcance a aplicaciones como biosensores y materiales para la obtención de imágenes biomédicas, sistemas de administración de fármacos, unión y eliminación de moléculas huésped, desalinización y tratamiento de aguas o incluso materiales semiconductores y ferroeléctricos.

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La síntesis de ADN reveló los secretos de la vida

Es sorprendente que la síntesis química de ADN no haya ganado un Premio Nobel, ya que hizo que la síntesis de ADN pasara de ser una exploración especializada a convertirse en una herramienta de investigación, de diagnóstico y forense de uso general. Este descubrimiento revolucionó la investigación biológica y contribuyó a la aparición de la industria biotecnológica. Marvin H. Caruthers desarrolló métodos para la síntesis de ADN con fosforamidita que combinaban nucleótidos en cadenas cortas de ADN de una forma eficiente y precisa. Estos métodos posibilitaron la creación mediante ingeniería genética de nuevos productos biofarmacéuticos, la obtención de huellas de ADN con fines forenses y el avance del proyecto Genoma Humano. Actualmente, los científicos usan esta síntesis en muchos campos diferentes de la investigación biomédica, como la secuenciación genética, el desarrollo de medicamentos y vacunas, el diagnóstico de enfermedades y test de patógenos como los de la COVID-19. Esta tecnología también fue crucial para el desarrollo de otras técnicas biomédicas, como la reacción en cadena de la polimerasa, que se usa para amplificar el ADN con el fin de estudiarlo con más detalle.

Desde que Caruthers desarrolló estas herramientas, CAS ha indexado más de 80 000 documentos sobre la síntesis de ADN. CAS ha indexado 243 documentos creados por el Dr. Caruthers, entre ellos más de 30 patentes. La publicación seminal que dio a conocer esta idea, “Deoxynucleoside phosphoramidites—A new class of key intermediates for deoxypolynucleotide synthesis”, ha sido citada más de 3400 veces.

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Los avances en el campo del microbioma intestinal están transformando los resultados futuros

La investigación sobre el microbioma intestinal ha crecido exponencialmente en los últimos años, con el trasplante de microbiota fecal a la cabeza. Ha proporcionado información valiosa sobre la compleja interacción que se da entre el microbioma y la salud humana y ha llevado a los científicos a explorar cómo afectan las bacterias intestinales a diversas funciones del organismo, desde la digestión y el metabolismo hasta el sistema inmunitario y la salud mental. Una de las contribuciones más notables del trasplante de microbiota fecal es su extraordinario éxito en el tratamiento de trastornos gastrointestinales como la infección recurrente por Clostridioides, que es en muchos casos una infección bacteriana potencialmente letal que puede ser resistente a los antibióticos convencionales. Introducir una población variada y sana de bacterias intestinales por medio de un trasplante de microbiota fecal puede ayudar a restablecer el equilibrio microbiano en el intestino del receptor, aliviar los síntomas, favorecer la recuperación y combatir la resistencia a los antibióticos, un problema de salud global cada vez más extendido.

Aunque el trasplante de microbiota fecal se asocia principalmente con los trastornos intestinales, sus posibles aplicaciones van más allá del aparato digestivo. Se está investigando su uso en el tratamiento de enfermedades como la enfermedad inflamatoria intestinal, la enfermedad de Crohn, la colitis ulcerosa, la obesidad, alergias, enfermedades autoinmunes e incluso trastornos neurológicos como la enfermedad de Parkinson y la depresión.

La historia del trasplante de microbiota fecal se remonta al siglo IV y la técnica ha ganado impulso desde 2013, cuando la Food and Drug Administration de Estados Unidos la aprobó para el tratamiento de la infección recurrente y refractaria por C. difficile. CAS tiene más de 400 patentes dedicadas a la invención y la metodología del trasplante de microbiota intestinal y más de 5000 publicaciones de revistas en los últimos 5 años. Estos revolucionarios descubrimientos están transformando nuestra visión de la influencia del microbioma en la salud global. El trasplante de microbiota fecal es un gran ejemplo de que la innovación médica puede surgir de fuentes poco convencionales y desafiar las estrategias de tratamiento tradicionales.

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¿Están preparados para un Premio Nobel los dendrímeros, la nanociencia y la química supramolecular?

Hasta ahora, muchos beneficios esenciales de un fármaco o un producto farmacéutico no se podían aprovechar a causa de su baja solubilidad, su baja toxicidad o sus problemas de estabilidad. Sin embargo, el uso de dendrímeros como vehículos de administración de fármacos puede resolver muchos de estos problemas.

Los dendrímeros son polímeros ramificados que nacen de un núcleo seguido por múltiples puntos repetitivos de ramificación. Su tamaño ajustable, sus interacciones con las membranas celulares y las características estables de su estructura interna son ideales para la administración de productos farmacéuticos activos. La síntesis de dendrímeros es compleja y poco eficiente desde el punto de vista del coste, pero sus distintas aplicaciones potenciales siguen haciendo avanzar este campo de investigación.

El Dr. Didier Astruc estableció la síntesis sistemática de dendrímeros, seguida por la funcionalización de nanopartículas de metales de transición como las nanopartículas de oro. Esta investigación resolvió los obstáculos de la síntesis de dendrímeros y garantizó la sostenibilidad de la química catalítica basada en dendrímeros como resultado de la baja cantidad de carga catalítica y la alta eficiencia de la catálisis. Gracias a esta investigación, se puede realizar catálisis sostenible usando dendrímeros integrados en nanopartículas metálicas, lo que disminuye el consumo energético y aumenta la sostenibilidad para las generaciones venideras.

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Ideas merecedoras de un Nobel: las vacunas de ARNm más allá de la COVID

Aunque una buena parte del mundo ya ha sido testigo del impacto que el ARNm ha tenido en las vacunas para la COVID-19, ha llegado el momento de reconocer a la Dra. Katalin Karikó y al Dr. Drew Weissman por sus extraordinarias contribuciones a las modificaciones de nucleósidos para desactivar la capacidad inmunógena del ARN y por su trabajo pionero sobre el ARN mensajero.

Normalmente, las moléculas de ARNm se destruyen rápidamente en su estado natural cuando se inyectan en el organismo, son muy inflamatorias y no pueden transmitir instrucciones a las células para que creen suficiente proteína vírica para activar una respuesta inmunitaria. Tras años de experimentación, Karikó y Weissman crearon una versión modificada del ARNm. En esta versión modificada, la uridina se reemplazó con N1-metilpseudouridina (m1Ψ). Gracias a este descubrimiento, el ARNm se convirtió en una plataforma de vacunación extremadamente eficaz. La sustitución permite al ARNm modificado esquivar la detección inmunitaria, permanecer activo más tiempo e introducirse en las células diana para crear antígenos y combatir la enfermedad.

La plataforma de ARNm es mucho más rápida que las plataformas de vacunación tradicionales, que pueden requerir la purificación de proteínas o la inactivación del virus. La velocidad de la plataforma podría ser vital para tratar otras enfermedades y brotes futuros en campos como el tratamiento del cáncer, la inmunoterapia y el tratamiento de enfermedades genéticas.

CAS ha indexado más de 500 documentos y 50 patentes creados por la Dra. Karikó y el Dr. Weissman, entre ellos más de 7 patentes conjuntas. Pfizer/BioNTech y Moderna han obtenido licencias de sus patentes conjuntas sobre ARN con nucleósidos modificados para las vacunas de la COVID-19.

Entre sus trabajos más citados se incluyen los siguientes:

• Suppression of RNA recognition by toll-like receptors: The impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA, Immunity (2005), 23(2), 165-175. Citado más de 1900 veces. 
• Incorporation of pseudouridine into mRNA yields superior nonimmunogenic vector with increased translational capacity and biological stability.  Molecular Therapy (2008), 16(11), 1833-1840. Citado más de 1400 veces. 
• mRNA Is an Endogenous Ligand for Toll-like Receptor 3, Journal of Biological Chemistry (2004), 279(13), 12542-12550. Citado más de 1200 veces. 

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