2011 01 12
Premios Nobel – Química 1907 (Eduard Buchner)
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Os traigo hoy la contrapartida al Premio Nobel de Física de 1907 con el que conocimos algunos de los logros menos famosos de A. A. Michelson, pero no por ello menos importantes (como veremos en unas semanas al hablar de una aplicación muy interesante de los conceptos utilizados en su interferómetro). Esta vez haremos lo propio con el Premio Nobel de Química del mismo año, otorgado al bávaro Eduard Buchner (a la izquierda), en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias,
Por sus investigaciones bioquímicas y su descubrimiento de la fermentación no celular.Se trata, como ha sucedido otras veces en esta misma serie, de una descripción que tal vez te deje frío al principio, pero el descubrimiento de Buchner es de una relevancia extraordinaria, no ya sólo para la Química, sino para la ciencia y nuestra concepción de la vida y de nosotros mismos. Y no es un descubrimiento aislado, sino que forma parte de una tendencia que hemos mencionado varias veces en artículos anteriores al hablar de premios en Química. Buchner consiguió uno de esos pasos tras los cuales no hay marcha atrás, que callan muchas bocas y cambian paradigmas… y lo hizo, dicho mal y pronto, haciendo vino. ¿He despertado al menos tu curiosidad?
Para comprender el “¡zas, en toda la boca!” a ciertas ideas anteriores propinado por el descubrimiento de Buchner hace falta antes, como nos pasa tantas veces en esta serie, retroceder en el tiempo para ser conscientes de cómo eran las cosas cuando llegó el alemán. La cuestión es que hay cosas que hoy en día nos sorprenden poco y nos parecen obvias, pero que hace tiempo no eran tan evidentes; no sólo eso — algunas eran tan controvertidas que las principales eminencias científicas las consideraban una estupidez.
Durante casi toda la historia de la ciencia, hubo una distinción radical entre los procesos biológicos y todos los demás. Desde Aristóteles en adelante se consideraba que las leyes simples que rigen casi todo el Universo no son aplicables a los seres vivos, sino que éstos son “algo diferente”. El comportamiento de plantas y animales y los procesos biológicos se consideraban algo casi milagroso, y se pensaba que todo lo relacionado con los seres vivos se debía a la “fuerza vital” que había en ellos. Hoy en día conocemos esta concepción como vitalismo. Si has seguido esta serie hasta ahora –especialmente en los Premios de Química– sabes exactamente a lo que me refiero, porque este vitalismo científico se fue desmoronando durante el siglo XIX y ya hemos visto ejemplos de ello.
Observa que digo vitalismo científico, y no vitalismo a secas, porque el vitalismo sigue vivo, aunque no en círculos científicos. Lo siento si me pongo pesado a veces, pero no puedo evitarlo: amo la Ciencia. No porque sea perfecta, ni muchísimo menos –estamos hablando ahora, precisamente, de una concepción científica absolutamente falsa y que se sostuvo milenios–, sino precisamente porque es consciente de que no lo es, y los hechos y la experimentación son los que mandan incluso cuando no nos gusta el resultado. Y, si no, que se lo pregunten a Wöhler (a la derecha).
El “milagro de la vida”, cualitativamente diferente del Universo no vivo, tenía como consecuencia el hecho de que las sustancias orgánicas eran absolutamente independientes de las inorgánicas, ya que era imposible generar la “fuerza vital” a partir de lo no vivo. Sin embargo, en 1828 el alemán Friedrich Wöhler consiguió producir urea (un compuesto hasta entonces únicamente producido por los seres vivos) a partir de moléculas inorgánicas, algo absolutamente contrario no sólo a lo que el propio Wöhler –y prácticamente todo el mundo– pensaba, sino a la manera en la que consideraba que “debían ser las cosas”. En palabras de Wöhler, al mirar los cristales de urea que había producido, estaba siendo testigo de “la gran tragedia de la ciencia, la destrucción de una bella hipótesis por un feo hecho”. Pero esa “tragedia”, en mi opinión, no es otra cosa que la grandeza de la ciencia: y el propio Wöhler, aunque no le gustara la conclusión, no se aferró a su idea preconcebida, sino que aceptó la bofetada que la realidad acababa de dar a su concepción de la vida. Pero me voy por las ramas.
El caso es que el vitalismo científico no murió con la producción de urea de Wöhler, ni mucho menos. Seguía habiendo muchos fenómenos incomprensibles mediante la química, y la mayor parte de los científicos seguían considerando una barrera insuperable entre lo vivo y lo no vivo. Si llevas mucho tiempo con nosotros has leído ya sobre Louis Pasteur y su demostración de la inexistencia de la generación espontánea aristotélica, con la que hizo avanzar muchísimo la ciencia de la época y, sobre todo, la antisepsia. ¡Qué irónica es la vida! Pasteur demostró empíricamente que un caldo en el que no había vida no la producía espontáneamente — a partir de lo no vivo no aparecía vida. Esto era cierto, desde luego, pero el francés lo llevó hasta un grado erróneo –Pasteur era, como casi todos, vitalista–.
Pasteur en su laboratorio. Cuadro de Albert Albert Edelfelt, 1885.
Como dijimos en aquel artículo, Pasteur demostró que la fermentación no era un proceso químico independiente de la vida, sino que estaba producido por organismos vivos, ¡una vez más, separación entre vida y no vida! Pero, eso sí, el francés era un científico de primera, con lo que no se contentó con esto: intentó producir la fermentación sin la presencia de células vivas, pero no tuvo éxito. Su conclusión, una vez más vitalista, fue que las fermentaciones eran un ejemplo de procesos no regidos por la química, sino por la “fuerza vital” de las células, ya que sin esa fuerza vital, la fermentación no se producía. Era inútil, por tanto, tratar de estudiar esos procesos químicamente, ya que la vida se escapaba a los límites de la química. Todo esto, por supuesto, es falso, pero Pasteur era Pasteur, y su opinión tenía un gran peso.
Y aquí entra en escena, por fin, Eduard Buchner; nació en la capital de Bavaria, Munich, en 1860, unos treinta años después de que Wöhler fuera testigo de la “tragedia de la ciencia”. Creo que gran parte de la culpa de que Buchner ganara el Nobel la tuvo su hermano mayor Hans, un conocido bacteriólogo de la época: fue gracias a él, tras la muerte de su padre, que Eduard pudo estudiar Química en la Politécnica de Munich y, como veremos en un momento, siguió siendo su mentor y lo ayudó mucho a seguir sus sueños. En la Politécnica, Eduard Buchner estudió en el laboratorio de Erlenmeyer, y posteriormente bajo Alfred von Baeyer, quien ya ha hecho su aparición en esta misma serie ya que ganó el Nobel de Química sólo dos años antes que Buchner.
Eduard Buchner (1860-1917).
Sin embargo, Buchner amplió sus conocimientos estudiando también las ciencias biológicas, especialmente botánica en el Instituto Botánico de Munich. Allí fue donde empezó a estudiar la fermentación, un fenómeno que empezaba por entonces a conocerse: no fue hasta 1838 que se demostró que la fermentación de la levadura era un proceso biológico, y Pasteur mostró en las décadas de 1850-60 que muchos otros fenómenos de fermentación, como la del ácido láctico en la leche, estaban causados por organismos vivos, como bacterias. Inicialmente, las investigaciones de Buchner fueron “al uso”, es decir, separando claramente la parte química de la parte biológica, pero ya publicó, bajo la tutela de su hermano Hans, su primer artículo sobre el asunto,“Der Einfluss des Sauerstoffs auf Gärungen” (”La influencia del oxígeno en las fermentaciones”) en 1885.
Unos años más tarde, Buchner se doctoró en la Universidad de Munich y obtuvo un puesto allí, en el laboratorio de von Baeyer –quien parece también haber apoyado mucho, como Hans, al joven Buchner–. Con la ayuda de von Baeyer, en 1893 el joven Eduard estableció su propio laboratorio de investigación sobre las fermentaciones… y empezó a intentar producirlas sin la presencia de células vivas, tratando de extraer los compuestos químicos relevantes de las células de levadura. ¡Anatema! La Universidad consideraba que esto era un esfuerzo inútil, ya que el gran Pasteur no había sido capaz de lograrlo, y le cortó las alas a Buchner. Durante tres años, Eduard no pudo seguir investigando lo que quería.
¿Quién consiguió que pudiera seguir su camino? ¡Hans, por supuesto! El Buchner mayor formaba parte del Consejo de Administración del Institut für Hygiene de Munich, y con su ayuda y la financiación del Instituto, Eduard Buchner pudo montar una vez más un laboratorio en 1896 y seguir sus intentos de extraer los fermentos de las células de levadura y producir así una fermentación sin la presencia de células vivas, algo imposible, claro, ya que la fermentación era una expresión de la fuerza vital de la levadura y se producía en el interior de la célula.
Pero lo consiguió.
Buchner utilizó células de levadura seca (seca por fuera, claro), que pulverizó junto con cuarzo y diatomita para romper las paredes celulares. Como consecuencia, la mezcla se volvía húmeda, ya que el interior de las células de levadura se vertía en ella al romperse las paredes. Posteriormente, Buchner empleó prensas para “exprimir” esta mezcla y tener así únicamente el líquido, sin restos de células –que estaban todas muertas en cualquier caso, al haberse roto las paredes, pero bueno–. Como resultado final del proceso, el bávaro tenía una especie de “jugo de levadura sin levadura”, en el que esperaba que se encontrarían la sustancia o sustancias químicas responsables de la fermentación.
A continuación, Buchner mezcló este líquido con las sustancias orgánicas que la levadura era capaz de fermentar, como distintos azúcares. Y la fermentación se produjo. Empezó a producirse dióxido de carbono, y tras la fermentación, los azúcares se habían convertido en alcoholes, exactamente igual que cuando las células de levadura realizaban el proceso, ¡pero sin las células!
Buchner había realizado, en un laboratorio, una reacción química considerada hasta entonces fuera del alcance de esta disciplina, ya que era parte del “milagro de la vida”. ¡Zas! En toda la boca. Pero, en términos algo más modernos, ¿qué había conseguido Buchner?
Saccharomyces cerevisiae al microscopio (dominio público).
Había partido de células de Saccharomyces cerevisiae, la levadura comúnmente empleada para fermentar cerveza y vino. Este hongo unicelular utiliza diversos compuestos para catalizar determinadas reacciones químicas que emplea en su nutrición, es decir, distintas enzimas. Una mezcla de ellas es la que convierte la glucosa (C6H12O6) en etanol (C2H5OH), el alcohol del vino; ese conjunto de enzimas recibe el nombre de zimasa, y fue eso lo que Buchner extrajo al triturar la levadura y luego exprimir la mezcla. La reacción química viene a ser algo así:
C6H12O6 + zimasa → 2C2H5OH + 2CO2
El resultado es, por un lado, alcohol etílico (etanol), y por otro, dióxido de carbono. Y esta reacción es la que empleamos cuando queremos una cosa, la otra o las dos. Por ejemplo, en el caso de la cerveza, queremos ambas cosas, mientras que en el vino sólo queremos el etanol y nos libramos del CO2. Tal vez te estés preguntando con todo esto, por cierto, por qué diablos no nos emborrachamos al comer pan, ya que la masa sube por esta misma reacción, que genera burbujas de CO2… y bastante alcohol, claro. La razón es que el etanol tiene una temperatura de ebullición bastante baja, y en el horno se evapora prácticamente todo: en el pan, al final, no hay ni etanol ni dióxido de carbono, puesto que la razón de que empleemos levadura es simplemente “estructural” (ahuecar el pan con burbujas) y no nos interesan las sustancias formadas.
Pero la importancia del trabajo de Buchner va mucho más allá de la posibilidad de producir etanol de manera “artificial” (aunque fuera con enzimas procedentes de seres vivos): se trata, como en Premios de Química anteriores, del desmoronamiento de las barreras entre lo biológico y lo no biológico. Buchner continúa la desmitificación de la vida como misterio: no sólo porque, tras él, podamos explicar en términos químicos algo que antes se debía a la “fuerza vital”, sino porque lleva a la conclusión de que, incluso lo que no conocemos aún –en tiempos del propio Buchner, los detalles de la misma fermentación, que no se conocían–, podemos conocerlo. Hay una diferencia radical entre “no conocemos tal cosa aún” y “no podemos conocer tal cosa porque se escapa de los límites del conocimiento científico”.
Como sucedió en el caso del premio de Física, el Premio Nobel de Química no tuvo una ceremonia al uso debido a la muerte del rey Óscar de Suecia unos días antes, pero disponemos del discurso escrito, que hubiera sido leído por el Presidente de la Real Academia Sueca de las Ciencias, K. A. H. Mörner, el 10 de diciembre de 1907. Como siempre, te recomiendo que lo leas aunque se haga un poco pesado por el lenguaje:
El Premio Nobel de Química de este año ha sido otorgado al Profesor Eduard Buchner por su trabajo en la fermentación.También disponemos del discurso de Eduard Buchner, pronunciado el 11 de diciembre en la ceremonia privada en la que se le entregó el Premio, y puedes leerlo aquí: buchner.pdf.
Durante mucho tiempo, tanto los químicos como los biólogos han considerado un logro particularmente significativo el hecho de conseguir abrir a la investigación química un nuevo tipo dentro de los procesos químicos que tienen lugar en los organismos vivos. Con cada paso en esta dirección, el carácter desconcertante de los procesos biológicos disminuye, mientras que por otro lado las leyes químicas adquieren una aplicación más amplia. Cada vez que el campo de investigación se expande en esta dirección, más estrecho se vuelve el territorio cuya frontera no podemos traspasar, ya que, como solía decirse, los fenómenos en ese territorio estaban gobernados por leyes especiales, no visibles aún para nosotros y controladas por un tipo particular de la llamada “fuerza vital”.
Durante mucho tiempo, los investigadores más preclaros en el campo de la química se han opuesto a la idea de que los procesos químicos en los seres vivos tengan una posición tan excepcional, y han otorgado por tanto su pleno reconocimiento a los trabajos de este tipo, ya que ofrecen un apoyo directo a sus posturas.
En este aspecto nosotros, en Suecia, nos sentimos obligados a hacer énfasis en las afirmaciones realizadas por Berzelius. Además de su actividad creativa en la química general, Berzelius estaba muy interesado en los procesos químicos en los organismos vegetales y animales. Respecto a éstos era de la opinión de que eran más complejos y más difíciles de comprender que las reacciones químicas independientes de los seres vivos. Sin embargo, de ningún modo se sumaba a la postura prevalente en la época de que su naturaleza era diferente y que, por tanto, deben seguir leyes completamente diferentes de los anteriores.
Berzelius tenía también especial predilección por tomar parte en el trabajo en este campo de la química cuando tenía tiempo. Daba gran importancia a los logros de otros. Como ejemplo de esto, recuerdo la respuesta de Berzelius a Wohler, cuando este último mencionó su desaliento al no haber sido el primero en descubrir el vanadio, un descubrimiento del que estuvo cerca pero que no consiguió realizar, ya que no completó el trabajo que había empezado. Berzelius lo consoló con palabras amistosas. Al mismo tiempo, señaló el mérito de Wohler en la explicación de la formación de sustancias orgánicas, algo por entonces aún en ciernes. Al referirse a un artículo de Wohler y Liebig que acababa de aparecer sobre el ácido ciánico y la urea, Berzelius afirmó que cualquiera que hubiera publicado algo así podría permitirse perfectamente no descubrir ningún elemento. Podría, escribe Berzelius, haber descubierto diez elementos desconocidos sin necesitar tanta genialidad como para producir el trabajo al que se refería.
Desde 1813, cuando se escribieron esas palabras, este campo se ha expandido enormemente en muchas direcciones; se ha descubierto que es posible retirar el velo que había cubierto hasta ahora los fenómenos de la vida orgánica. Así, un gran número de sustancias, que en la época en cuestión se suponía que podían ser producidas únicamente por organismos vivos, pueden ahora prepararse sintéticamente. Cuando nos referimos, sin embargo, a los procesos internos que tienen lugar durante la formación y conversión de estas sustancias en los organismos vivos, debemos admitir que nuestro conocimiento está muy lejos de ser completo. Es ciero que ya no se dice que los seres vivos estén gobernados por una “fuerza vital” especial, pero muy a menudo tenemos que conformarnos, incluso hoy en día, con otra expresión que, en su significado literal, no difiere mucho de la primera. Se dice frecuentemente en la actualidad que este proceso o aquél deben considerarse “fenómenos vitales” o “expresión vital” en ciertas células. Desgraciadamente, debemos reconocer el hecho de que, en esto, estamos fundamentalmente proporcionando un término en vez de una explicación más profunda. Es cierto, desde luego, que los territorios fronterizos en los que la investigación química intenta penetrar hoy día los fenómenos complejos y místicos relacionados con la vida están mucho más allá de donde estaban en 1813. Mientras tanto, sigue siendo un hecho que debemos un reconocimiento incondicional y considerable a los trabajos en el que este campo ha llevado la investigación química un paso más allá.
Esto es aplicable al trabajo que es objeto del Premio Nobel que nos ocupa; intentaré explicar de qué se trata en pocas palabras.
Durante mucho tiempo, los químicos han prestado gran atención a los fenómenos que hoy llamamos fermentación. Bajo este nombre incluimos un gran número de procesos químicos que tienen lugar en los organismos vivos, y por los que son de la mayor importancia. Normalmente se trata de procesos de descomposición en los que sustancias complejas se rompen bajo la influencia de agentes que llamamos fermentos. Estos fermentos actúan, por así decirlo, por su mera presencia. Sin ser transformados ellos mismos, causan determinados cambios en otras sustancias, y el efecto de cada fermento está limitado a una cierta sustancia o aun cierto grupo de sustancias. Una propiedad importante de los fermentos es el hecho de que bajo ciertas condiciones, como las que existen en los seres vivos, tienen una acción muy poderosa, mientras que en otras frecuente y fácilmente se vuelven ineficaces. Puesto que, por otro lado, con ayuda de la química, pueden producirse procesos químicos que se parecen a la acción de los fermentos –muchos ejemplos de lo cual están disponibles– a menudo sucede que, para este propósito, son necesarios agentes cuya naturaleza los hace completamente ajenos a, y a menudo incompatibles con, las condiciones en los seres vivos.
En los últimos tiempos, particularmente, el avance en nuestro conocimiento ha hecho probable que haya procesos fermentativos en un alto grado, que producen la transformación de las sustancias en los seres vivos y por tanto controlan esta condición de la vida. Igual que la ciencia química ha adquirido, durante el último siglo, un extenso conocimiento de la composición y estructura de las sustancias orgánicas, es esencial ahora un conocimiento profundo de la naturaleza y acción de los fermentos, de modo que esta ciencia pueda estar en posición de dominar las leyes de la formación y disociación de sustancias en el organismo.
Mientras tanto, conocemos estos fermentos hasta ahora sólo por los efectos que producen. Su naturaleza última y su constitución interna aún nos son desconocidas. Esperamos, sin embargo, que la solución a este enigma sea objeto de un futuro Premio Nobel.
Se han observado un gran número de fermentaciones. Esto sucede, por ejemplo, con los fermentos que existen en estado disuelto en las secreciones descargadas en el sistema digestivo y que ejercen tan gran influencia allí. Ha sido así posible obtener una experiencia empírica considerable acerca de estas fermentaciones.
Sin embargo, otro grupo de fermentaciones sólo se ha observado en presencia de células vivas. A este grupo pertenece, entre otras, la descomposición del azúcar en alcohol y dióxido de carbono, bajo la acción de levadura ordinaria. La conexión entre esta fermentación y la presencia de células vivas de levadura parecía tan irresoluble que este fenómeno de fermentación se consideraba una “expresión vital” de las células. Este proceso parecía, por tanto, inaccesible a una investigación más detallada.
Hasta Pasteur, esta postura era aceptada y generalmente adoptada en los círculos científicos.
El servicio inolvidable proporcionado por Pasteur fue mostrar que hay organismos vivos que originan la putrefacción y la fermentación y otros procesos de gran relevancia. Pasteur, que se distinguía no sólo por el genio de sus ideas sino también por un gran talento como experimentador, intentó también –especialmente en lo que se refiere a la fermentación del alcohol común– investigar la relación intrínseca entre el proceso y los organismos en este caso. En particular, trató de responder a la pregunta de si la fermentación del alcohol se debía fundamentalmente a un fermento producido por las células de levadura, en cuyo caso este fermento debe poder ser separado de ellas y funcionar independientemente de la presencia de células vivas de levadura. Sin embargo sus experimentos, como los de otros, sobre la existencia de un fermento soluble de este tipo dieron resultados negativos. Se consideró por tanto confirmada la opinión de Pasteur de que el proceso químico de la fermentación del alcohol era una expresión vital de las células de levadura y estaba, por tanto, inextricablemente unido a la vida. Esta opinión prevaleció durante décadas.
Por tanto, aunque Pasteur adquirió fama inmortal por su brillante descubrimiento sobre la relevancia de los seres vivos como la causa última de estos procesos, puso freno al progreso científico en este campo al establecer el concepto vitalista en el proceso de la fermentación. Mientras la fermentación se consideró una “expresión vital”, y por tanto un fenómeno inseparable de la vida, no había mucha esperanza de poder penetrar más profundamente en la cuestión de su mecanismo de acción. Debe además recordarse que esto es de gran importancia, ya que no sólo concierne a la fermentación alcohólica sino a un gran grupo de procesos muy importantes.
Bajo estas circunstancias, puede comprenderse fácilmente la gran sensación causada cuando E. Buchner, tras muchos años de trabajo, consiguió probar que la fermentación alcohólica podía producirse a partir de los jugos extraídos de las células de levadura, sin la presencia de dichas células. Demostró así de manera fehaciente que esta fermentación se debía a un fermento químico producido por las células de levadura, de las que podía separarse. La fermentación no es una expresión vital directa de las células de levadura; las células pueden destruirse, pero el fermento permanece.
A partir del trabajo de Buchner, la fermentación mencionada y otros procesos análogos se han liberado de los grilletes que los retenían y que impedían el progreso en la investigación. Hoy en día no se encuentra particular dificultad en obtener, a partir de las células de levadura y otras, una amplia variedad de sustancia celular activa independiente de células vivas. Se han realizado muchas investigaciones clarificadoras sobre sus propiedades, en parte por el propio Buchner y en parte por otros. Territorios hasta ahora inaccesibles han entrado ahora en el campo de la investigación química, y se abren vastas expectativas a la ciencia química.
En la próxima entrega de la serie, el Premio Nobel de Física de 1908.
Para saber más (esp/ing cuando es posible):
- Página oficial del Premio Nobel de Química de 1907
- Eduard Buchner / Eduard Buchner
- Fermentación alcohólica / Ethanol fermentation
- Vitalismo / Vitalism
El texto de Premios Nobel – Química 1907 (Eduard Buchner) , por Pedro Gómez-Esteban, salvo donde se mencione explícitamente, está publicado bajo Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Spain License.
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