Nobel Prize of Chemistry 2017

Jacques Dubochet (Laussane Univ.), Joachim Frank (Columbia Univ.), Richard Henderson (Cambridge, Inglaterra)

El Premio Nobel de Química 2017 ha sido otorgado a Jacques Dubochet de la Universidad de Lausana, Joachim Frank de la Universidad de Columbia, y Richard Henderson del Laboratorio de Biología Molecular de MRC en Cambridge, Inglaterra. Obtuvieron el premio "por desarrollar microscopía crioelectrónica para la determinación de la estructura de alta resolución de biomoléculas en solución".

En la microscopía crioelectrónica (cryo-EM), un haz de electrones se envía a través de una muestra biomolecular que se ha congelado, por lo general con etano líquido. El material desvía los electrones de una manera que permite a los investigadores determinar la estructura de la biomolécula. Los haces de electrones dañan físicamente las biomoléculas, pero al congelarlas, la parte "cryo" de cryo-EM, las protege del daño electrónico y evita que se deshidraten en la cámara de vacío del microscopio electrónico.

Las estructuras obtenidas mediante cryo-EM y técnicas relacionadas son de fundamental importancia para comprender la química de la vida, y pueden ayudar a los científicos a desarrollar fármacos al dilucidar la forma en que los agentes bioactivos interactúan con las biomoléculas.

Tradicionalmente, los científicos recurrieron a la cristalografía de rayos X y a la espectroscopía de resonancia magnética nuclear para obtener estructuras biomoleculares. El progreso en cryo-EM, sin embargo, eventualmente permitió que la técnica manejara algunas estructuras que la cristalografía y la RMN no pueden. Por ejemplo, elimina la necesidad de cristalizar biomoléculas, que se requiere en la cristalografía y puede ser extremadamente difícil de lograr en algunos casos.

Cryo-EM también puede visualizar estructuras más grandes que la RMN o la cristalografía: la especialista en Cryo-EM Sarah Butcher de la Universidad de Helsinki estima que la técnica puede analizar estructuras 100 veces más grandes, incluidos virus completos e incluso células congeladas.

Henderson sentó las bases para cryo-EM en 1975, cuando usó microscopía electrónica para determinar un modelo tridimensional de bacteriorrodopsina promediando múltiples imágenes obtenidas con haces de electrones débiles. Ese estudio demostró que la microscopía electrónica podía obtener imágenes tan detalladas como las determinadas por la cristalografía, que era una técnica inherentemente de mayor resolución en ese momento. Durante la próxima década, Frank, en el Departamento de Salud del Estado de Nueva York, Wadsworth Center, desarrolló una tecnología de procesamiento de imágenes para convertir imágenes convencionales de microscopía electrónica bidimensional en estructuras tridimensionales. Henderson también ayudó a avanzar en las técnicas de procesamiento de imágenes.

A principios de la década de 1980, Dubochet ideó métodos para congelar rápidamente muestras biomoleculares para protegerlas del daño electrónico y la deshidratación, manteniendo sus formas moleculares nativas. En 1990, Henderson pudo obtener la primera estructura cryo-EM de resolución atómica, de bacteriorrodopsina, que tiene una estructura bien ordenada que hace que la alta resolución sea más fácil de lograr de lo que hubiera sido el caso con muchas otras biomoléculas.

En la última década, los avances en la tecnología de detección de electrones, particularmente el desarrollo de detectores de electrones directos, han mejorado enormemente las capacidades de resolución de cryo-EM.

Nobel Prize of Chemistry 2016

Jean-Pierre Sauvage (France), James Fraser Stoddart (USA), and Bernard Lucas Feringa (Netherlands)

The Royal Academy of Sciences of Sweden has awarded three chemists: Jean-Pierre Sauvage, of the University of Strasbourg (France); Sir James Fraser Stoddart, from Northwestern University, Evanston, United States; and Bernard Lucas Feringa, from the University of Groningen (Netherlands) for the design and synthesis of molecular machines."
The three chemists have developed molecules with controllable movements, which can perform a task when energy is added. The Academy has highlighted their works in miniaturizing machines and taking chemistry to a new dimension.

In 1983, Jean-Pierre Sauvage took the first step towards the creation of a molecular machine by successfully connecting two ring-shaped molecules, forming a chain. A catenan, as it is scientifically termed, is a mechanically intertwined molecular architecture. The second breakthrough was made by Fraser Stoddart in 1991 when he developed a rotaxane, which is a macrocycle traversed by a dumbbell-shaped molecule. Stoddart showed that the ring or macrocycle was able to move along the axis of the dumbbell. The applications: a molecular elevator, a molecular muscle and a computer chip of molecular functioning. Finally, Bernard Feringa was the first person to develop a molecular engine. In 1999 he devised a molecular rotor blade that rotated continuously in the same direction. Through the molecular motors it has rotated a glass cylinder that is about 10,000 times larger than the same motor; and also designed a nanocar.

The molecular engine is currently in the same phase of development as the electric motor in the thirties of the nineteenth century, but will be of great importance in the creation of new materials, sensors and energy storage systems

El Nobel de Química 2015

Paul L. Modrich (USA), Tomas Lindahl (Suecia), Aziz Sancar (Turquía)

La Real Academia Sueca de Ciencias ha otorgado el Premio Nobel de Química 2015  al científico sueco Tomas Lindahl, el estadounidense Paul Modrich y el turco-estadounidense Aziz Sancar por sus "estudios sobre los mecanismos de reparación del ADN".
La Real Academia destacó la gran labor de estos científicos en la generación de un conocimiento fundamental sobre cómo funciona una célula viva. Sus hallazgos se han empleado para desarrollar nuevos tratamientos para combatir principalmente el cáncer.

Lindahl (77 años) es el líder emérito de un grupo del Instituto Francis Crick y el director emérito de Cancer Research UK en el Clare Hall Laboratory de Gran Bretaña. Ha destacado por su contribución a la compresión en la reparación del ADN en bacterias y celulas de mamífero. También se le atribuye el descubrimiento de las metiltransferrasas, unas enzimas que median en la respuesta adaptativa a la alkylación del ADN. Sus investigaciones han permitido el diseño de quimioterápicos más selectivos para el tratamiento del cáncer.

Modrich, nacido en 1946, es investigador en el Instituto Médico Howard Hughes y profesor en la Escuela de Medicina de la Universidad de Duke, en Durham, North Carolina. Es conocido por su investigación sobre la reparación de errores en el ADN, que son causa de enfermedades hereditarias y también está relacionado directamente con la generación de varios tipos de cáncer.

Y por último, Sancar, de 69, es profesor en la Escuela de Medicina de la Universidad de North Carolina en Chapel Hill, North Carolina. Sus estudios han estado centrados en la elucidación de mechanismos de foto-reactivación mediados por la enzima photolyasa y su repercusión en la reparación del ADN, específicamente en la reparación del dimero de pirimidina, considerada una lesión molecular del ADN.

Road to the energy efficency based on Nanotechnology

 

How the nanotechnology could revolutionize the future of energy?. The number of scientific papers on this topic is growing so fast that it is almost impossible to keep pace with the many and exciting solutions that nanoengineered materials are bringing to the different energy technologies. Most of the attention is devoted to new production technologies (photovoltaic cells, hydrogen generation, thermoelectric materials, etc). These are all very important technologies, which will probably contribute in different extents to our future energy mix. However, for cleaner energy technologies to be competitive in the era of cheap and abundant shale oil and gas, more disruptive research is required. Nanotechnology holds the opportunity to provide these breakthroughs.

The principal challenges
There are very important challenges that need to be solved to achieve a energy rentable technology. Apart form the masive and efficent energy generation, the efficient energy storage and transportation is a keypoint for the revolution at energetic level. But continuous effords are being doing in terms of saving energy through gains in efficiency (i.e. reduction in energy losses, less resistive materials, more efficient photovoltaic devices, etc.). Moreover, nanotechnology can also greatly contribute to mitigate and adapt to climate change, for example, by using nanostructured materials like porous coordination polymers in the capture of CO₂ or using photocatalists for environment pollulants.

One of the most usual handicap is the scalablility and the production cost. Most of the current research are not sufficiently addressed to design a cost-effective and reliable process.  Many papers make very broad claims about the potential application of new formulations but important factors as fabrication cost, scalability, and reliability are overlooked. The lack of environmental regulations for new materials makes also this process lower than spected. A continous continuous change of mentality and regulations is recommended for the advance of the technology and translate it from the lab to the market. 

Nanotechnology and future
Over the past few decades, the fields of science and engineering have been seeking to develop new and improved types of energy technologies that have the capability of improving life all over the world. In order to make the next leap forward from the current generation of technology, scientists and engineers have been developing energy applications of nanotechnology. Creating devices smaller than 100 nanometers opens many doors for the development of new ways to capture, store, and transfer energy. The inherent le
vel of control that nanofabrication could give scientists and engineers would be critical in providing the capability of solving many of the problems that the world is facing today related to the current generation of energy technologies. People in the fields of science and engineering have already begun developing ways of utilizing nanotechnology for the development of consumer products. Benefits already observed from the design of these products are an increased efficiency of lighting and heating, increased electrical storage capacity, and a decrease in the amount of pollution from the use of energy. Benefits such as these make the investment of capital in the research and development of nanotechnology a top priority.

El Nobel de Química 2014

Betzig (USA), Moerner (USA) y Hell (Alemania)


La Real Academia Sueca de Ciencias ha otorgado el Premio Nobel de Química 2014  a los científicos estadounidenses Eric Betzig (Instituto Médico Howard Hughes en Ashburn), William E. Moerner (Universidad de Stanford) y el alemán Stefan W. Hell (Instituto Max Planck de Química Biofísica), por el desarrollo de un microscopio fluorescente de alta resolución.

Se ha reconocido su destacada labor en la creación de microscopios de alta resolución que utilizan moléculas fluorescentes, una técnica también conocida como "nanoscopia". El avance ha permitido el desarrollo más preciso y extenso de investigaciones sobre Parkinson y Alzheimer. El método permite un estudio de "moléculas individuales dentro de células vivas", algo imposible hasta la creación de este tipo de microscopio. En la década de 1970 dichos investigadores sentaron las bases de los potentes programas que son usados para comprender y predecir procesos químicos, unos modelos informáticos que replican la vida real y que se han convertido en uno de los avances más cruciales para la química actual.

El galardón reconoce 2 principios diferentes: uno que permite que el método microscópico de la reducción estimulada de emisiones (STED), creado por Stefan Hell en el año 2000, donde se utilizan 2 rayos láser, uno que estimula el brillo de las moléculas fluorescentes, y el otro que anula su fluorescencia exceptuando la que se alcanza en los volúmenes nanómetros. Al analizar la muestra, nanómetro por nanómetro, es posible crear una imagen de una resolución notoriamente superior al límite establecido hasta el momento.

Por otro lado, Betzig y Moerner lograron, de forma separada, crear las bases para el segundo método, la microscopía molecular individual. El método parte de la posibilidad de "encender" y "apagar" la fluorescencia de las moléculas individuales. Así, pueden observar la misma área muchas veces, permitiendo que unas pocas moléculas brillen y al superponer lás imagénes se obtiene una "súperimagen" densa a nanoniveles. El método fue utilizado por primera vez por Betzig en 2006.

El Nobel de Química 2013

Karplus, Levitt y Warshel



La Real Academia de Ciencias de Suecia ha otorgado el Nobel de Química 2013 al investigador austríaco Martin Karplus (Universidad de Strasburgo/Harvard), el sudafricano Michael Levitt (Standford) y el israelí Arieh Warshel (Universidad de Southern California) por el desarrollo de modelos multiescala de sistemas químicos complejos.

En la década de 1970 dichos investigadores sentaron las bases de los potentes programas que son usados para comprender y predecir procesos químicos, unos modelos informáticos que replican la vida real y que se han convertido en uno de los avances más cruciales para la química actual.

Martin Karplus nació en 1930 en Viena y es profesor emérito en Estados Unidos, en la Universidad de Harvard. Levitt, nacido en 1947 en Pretoria y con ciudadanía estadounidense y británica, ejerce en la Universidad de Stanford. Warshel nació en 1940 en Sde-Nahum, Israel, y trabaja en la Universidad del Sur de California, Los Angeles.

Estos galardonados siguen en la nómina del prestigioso galardón a los estadounidenses Robert J. Lefkowitz y Brian K. Kobilka, que lo recibieron en 2012 por sus estudios sobre los receptores acoplados a "proteínas G", que permitieron la producción de nuevas medicinas.

Nobel de Química 2012

Robert J. Lefkowitz y Brian K. Kobilka

Los científicos estadounidenses Brian Kobilka y Robert Lefkowitz han sido galardonados con el premio Nobel de Química 2012 por sus investigaciones sobre un tipo de receptores de la membrana de las células que regulan múltiples funciones biológicas.

El  conocimiento detallado de los receptores acoplados a proteínas G, gracias a las investigaciones de Kobilka y Lefkowitz, ayudará a desarrollar nuevos fármacos más eficaces y con menos efectos secundarios. Los receptores de la membrana son estructuras microscópicas que permiten a las células captar señales de su entorno y reaccionar. Vienen a ser como los órganos de los sentidos de las células

Lefkowitz (Nueva York, 1943) es profesor de la Universidad Duke en Durham, en Carolina del Norte. Kobilka (Little Falls, Minnesota,1955), de la Universidad de Stanford en California.

Lefkowitz hizo su primer gran descubrimiento con la adrenalina. Cuando inició sus investigaciones, ya se sabía que eleva la tensión arterial y acelera el pulso. Se sabía también que no entra en el interior de las células sino que actúa desde el exterior. Pero cómo conseguía provocar efectos drásticos en las células desde fuera era un enigma. El investigador marcó moléculas de adrenalina con isótopos radioactivos para poder ver adónde iba la hormona en las células. Lefkowitz consiguió identificar así en los años 70 los receptores de la adrenalina, llamados receptores beta-adrenérgicos. Una vez identificados, pudo estudiar cómo funcionan.

El segundo gran descubrimiento llegó cuando Kobilka se unió al equipo de Lefkowitz en los años 80. Kobilka aceptó el difícil reto que le propuso Lefkowitz de buscar el gen del receptor beta-adrenérgico. Cuando lo encontró, vio que era muy similar a un receptor que capta luz en el ojo. A partir de ahí, se descubrió que hay una familia enorme de receptores similares: los receptores acoplados a proteínas G.

Según Lefkowitz, las proteínas G "son la puerta de entrada a las células para muchas hormonas y neurotransmisores distintos; regulan casi todos los procesos fisiológicos conocidos".