Al agua le ha tocado cargar con demasiadas frases motivacionales. “Fluye como el agua” aconsejan tazas, podcasts y medio Instagram, como si bastara con adoptar la forma del problema y seguir adelante. Qué práctico. En mis últimas clases de bioquímica, mis alumnos me recordaron que la verdadera lección del agua es bastante menos complaciente: su estabilidad no proviene de dejarse llevar, sino de reconstruir continuamente la red que la sostiene.
En el agua líquida, cada molécula puede establecer puentes de hidrógeno con varias de sus vecinas. Estas interacciones son mucho más débiles que los enlaces covalentes que mantienen unidos el oxígeno y los hidrógenos dentro de cada molécula. Pero esa debilidad, lejos de ser un defecto, es justo lo que permite que la red sea tan dinámica y se transforme: los puentes se rompen y vuelven a formarse mientras las moléculas se reorientan e intercambian compañeras. Ninguno permanece demasiado tiempo, pero siempre hay otros ocupando su lugar.
Un solo puente de hidrógeno tampoco podría sostener gran cosa, pero miles de millones, actuando simultáneamente, sí pueden determinar la cohesión del agua, su respuesta a la temperatura y la forma en que interactúa con las biomoléculas. La fuerza de los puentes de hidrógeno no está en cada vínculo aislado, sino en el comportamiento colectivo de la red. En otras palabras, el agua no permanece estable porque sus conexiones sean permanentes, sino porque puede sustituirlas continuamente sin desorganizarse por completo.
Los vínculos individuales de la red de puentes de hidrógeno son transitorios, pero la red colectiva permanece. Y, sin embargo, a escala molecular, nunca está quieta: su identidad no está en conexiones eternas, sino en crear nuevas.
Imaginemos ahora que estamos dentro de esa red convertidos en una proteína. No seríamos una estructura sólida que simplemente se moja por fuera. Los grupos polares y cargados de nuestros aminoácidos (las unidades básicas de las que estamos hechos) entrarían en conversación con el agua y formarían puentes de hidrógeno nuevos, modificando las conexiones que ya existían entre sus moléculas. Alrededor de nosotros surgiría una capa de hidratación dinámica: unas moléculas de agua llegarían a platicar con nosotros, otras se marcharían y algunas acompañarían nuestros movimientos por más tiempo.
Las regiones menos compatibles con el agua tenderían a agruparse y quedar protegidas en el interior, mientras que muchos grupos polares permanecerían expuestos en la superficie. Esta reorganización contribuye al plegamiento de las proteínas y a los movimientos que necesitaríamos para funcionar. El agua, en este escenario, no es únicamente el líquido donde ocurre la bioquímica: participa activamente en la forma, flexibilidad y actividad de sus protagonistas, las proteínas.
Una de mis alumnas me compartió otro ejemplo: una molécula anfipática como un fosfolípido. Estas moléculas tienen una cabeza polar que interactúa con el agua, y colas hidrofóbicas que tienden a agruparse entre sí. Por eso, cuando se encuentran en medios acuosos, los fosfolípidos no permanecen dispersos y se reorganizan. Forman bicapas con sus cabezas orientadas hacia el agua y colas protegidas en el interior. Las membranas de las células están hechas justamente de fosfolípidos, entre otras biomoléculas. No se construyen bicapas a pesar del agua, sino, en buena medida, gracias a la forma en que las moléculas se reorganizan dentro de ella sin interactuar por completo. El agua no solo rodea a la célula, también participa en la manera en que se construye la frontera que la separa del exterior.
Esa red también explica una de las rarezas más importantes del agua: en estado líquido, el agua pura alcanza su máxima densidad cerca de los 4 °C y al enfriarse más, empieza a expandirse hasta que se congela. Es entonces cuando sus moléculas forman una estructura más abierta. Por eso el hielo es menos denso que el agua líquida y flota. Eso no es habitual: con otras sustancias, en estado sólido sus moléculas están más ordenadas y compactas que cuando son líquidas. La consecuencia de este fenómeno es que, en los lagos de regiones frías, la congelación ocurre desde la superficie y la capa de hielo ayuda a aislar el agua líquida que queda debajo, permitiendo que la vida acuática sobreviva al invierno. Curiosamente, la red de puentes de hidrógeno del hielo, cuando se ordena, no se hace más compacta, sino que crea espacio, y con él, una posibilidad de vida.
Los biotecnólogos aprendimos que no basta con preguntar cuánta agua contiene un sistema, también importa cuánta está disponible. La actividad de agua no cuenta cuántas moléculas de agua están presentes, sino que indica qué tan libre está el agua para participar en procesos físicos, químicos y biológicos. Una mermelada, por ejemplo, es bastante acuosa, pero la elevada concentración de azúcar que tiene disminuye su actividad de agua, lo que dificulta el crecimiento de los microorganismos que la requieren para vivir. Podemos conseguir efectos similares con sales o deshidratación. Por eso, dos productos con una humedad parecida no necesariamente ofrecen las mismas condiciones para la vida microbiana.
Retirar el agua también significa desmontar parte del entorno que mantiene organizado al aparato celular: las proteínas, membranas y otros componentes pueden desestabilizarse. La liofilización es una tecnología que lleva este reto al extremo: primero congela una muestra y después elimina el hielo por sublimación, permitiendo conservar los materiales biológicos en estado seco. El objetivo de este proceso no es solo obtener una muestra seca, sino conservar suficiente organización molecular para que un cultivo microbiano, una enzima o algún otro producto biológico pueda recuperar su actividad biológica después de rehidratarse.
Hay sustancias como la trehalosa, que es un carbohidrato con varios grupos hidroxilo capaces de formar puentes de hidrógeno con el agua y con las superficies polares de las proteínas y membranas. Durante la deshidratación puede sustituir parte de las interacciones que se pierden al retirar el agua y formar una matriz amorfa que reduce el movimiento molecular. No reemplaza mágicamente todo lo que hacía el agua, pero ayuda a evitar que algunas estructuras colapsen o se agreguen. Su capacidad protectora no es ajena a la red de puentes de hidrógeno y por eso puede ayudar a conservar las estructuras biológicas al retirar el agua.
En estos ejemplos, la biotecnología no impide que cambien las condiciones, sino que procura conservar la organización necesaria para que la vida pueda reconstituirse cuando las condiciones favorables regresen. Parece que la lección del agua en biotecnología no es solo “fluir”. Para eso ya estuvo con las publicaciones motivacionales. La lección es mucho más exigente (como siempre en bioquímica): la estabilidad no consiste en mantener intactos todos los vínculos, sino en conservar la capacidad de reorganizarnos sin perder lo que nos permite funcionar.
Cuando todo cambia, me pregunto: ¿qué necesitamos conservar para poder reconstituirnos? ¿Cuáles son nuestros puentes de hidrógeno?
Cualquier cosa que quieras preguntarme de lo que escribo, dímelo: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. y en cuanto pueda te contestaré y, si no tengo la respuesta, sé que mis colegas de la Facultad de Ingeniería Molecular y Tecnologías Sustentables nos podrán ayudar.
Estas son las lecciones de biotecnología para la vida diaria.
