^{Lecciones de biotecnología para la vida diaria}

Ahora revisaremos la segunda chulería del agua: su neutralidad. En clase describimos con detalle que el agua pura es neutra y, sin embargo, detallamos la reacción:

2 H2O ↔ H3O+ + OH-

En los productos de la reacción hay especies iónicas además de la molécula del agua y se vuelve inevitable preguntar: si el agua es pura, ¿de dónde salieron esos iones? ¿Quién los invitó a la reacción? Nadie. El agua misma los produce en lo que se conoce como reacción de autoionización.  Hasta aquí parece que a la palabra neutral le exigimos demasiado: que no sea ácida ni básica, que no cambie y, ya encarrerados, que no haga absolutamente nada. Pero el agua solo nos prometió lo primero.

De hecho, a 25°C un litro de agua pura contiene aproximadamente una diezmillonésima de mol de iones de H3O+ y la misma cantidad de moles de OH-. Parece poquísimo, pero equivale a 6 × 10¹⁶ iones de cada tipo. En realidad, la autoionización es rarísima para una molécula de agua individual, pero un litro de agua tiene tantas moléculas que incluso lo rarísimo sucede una cantidad absurda de veces.

La misma red de puentes de hidrógeno que antes nos permitió explicar la estabilidad del agua ahora es un camino. El protón de H3O+ no atraviesa el líquido como una bolita, sino que se pasa de una molécula a otra, como en un relevo. Algunas fluctuaciones poco frecuentes permiten que dos iones se formen y se separen; muchas veces vuelven a encontrarse casi de inmediato. La red no está quieta ni siquiera cuando el agua es pura y, desde afuera, el agua parece exactamente la misma.

Pero entonces, si el pH depende de la concentración de protones de un medio, ¿cómo es que el agua permanece neutra? Es así porque los iones se forman y desaparecen continuamente. ¡Impresionante! El agua es neutra no porque no ocurra nada, sino porque la reacción que escribimos al inicio de este texto ocurre en ambos sentidos a la misma velocidad: está en equilibrio químico.

En el agua pura, neutralidad no significa ausencia de iones, sino igualdad entre las concentraciones de iones de H3O+ y de OH-. El equilibrio que estamos explicando, en definitiva, no es quietud: es actividad que no deja saldo.

El famoso pH también tiene letras chiquitas: corresponde aproximadamente a la neutralidad del agua a 25° C. A 0 °C, el pH neutro está cerca de 7.48; a 100° C, cerca de 6.13. A esta última temperatura, el agua puede tener un pH de 6 y continuar siendo neutra, siempre que tenga la misma cantidad de iones de H3O+ que de OH-.

En biotecnología esta elegantísima realidad química es muy importante: en un biorreactor, la pantalla del indicador de pH puede marcar el mismo valor durante horas mientras los microorganismos, activos en su interior, consumen nutrientes, producen ácidos, intercambian iones, activan respuestas al estrés y modifican el medio. Al mismo tiempo, sustancias que llamamos amortiguadores o buffers, capturan o liberan protones y el sistema de control de pH añade ácido o base. La quietud está solo en el número que vimos en la pantalla. Hay evidencia experimental de sobra que indica que cambiar el pH de un bioproceso altera crecimiento, productos de fermentación y la expresión génica en las células.

Es decir, que el pH no es para nada decoración del cultivo, es una variable con la que favorecemos ciertos metabolismos y frenamos otros.

El pH también determina la estabilidad de una formulación biotecnológica. Piensa, por ejemplo, en un frasco de insulina. Muchas personas con diabetes dependen de ella. Y puede parecer exactamente igual a simple vista mientras la proteína empieza a formar agregados. En un estudio con insulina humana recombinante, una variación de apenas 4.1 a 4.3 en el pH modificó claramente la velocidad con que se formaban esos agregados y hasta su tamaño. Por eso una formulación no contiene solamente el principio activo: también necesita un sistema amortiguador que ayude a conservar el intervalo de pH en el que la proteína es más estable. Y de nuevo, lo que parece quieto por fuera depende de equilibrios que trabajan constantemente por dentro.

Incluso en los biorreactores que pretenden operar con pH aparentemente uniforme, como los de tratamiento de aguas, se generan microambientes. El electrodo mide el pH del líquido que lo rodea, no cada recoveco dentro de un biofilm. Allí dentro, las células consumen y producen sustancias que generan pequeños ambientes químicos distintos del resto del tanque.

En este tipo de bioprocesos reales el pH está dominado por la producción de metabolitos, amortiguadores y las demás especies ácido-base que se formen. La autoionización del agua nos ofrece el marco para entender qué significa realmente medir el pH y por qué, aunque veamos que el indicador permanezca estable, esto nunca es ausencia de actividad.

Es claro que en biotecnología un sistema puede parecer quieto precisamente porque muchas cosas están ocurriendo al mismo tiempo y se compensan entre sí. Puede parecer quieto cuando se ve desde afuera y, sin embargo, sostenerse solo porque reacciones reversibles operan en actividad continua. ¿En biotecnología o también en otros espacios? Luego de pensarlo más, definitivamente estamos sobrevalorando el fluir del agua, porque hay mucho más en el fondo bioquímico de esta molécula: ¿cuántas veces llamamos quietud a lo que en realidad es trabajo sostenido?

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 si no tengo la respuesta, sé que mis colegas de la Facultad de Ingeniería Molecular y Tecnologías Sustentables nos podrán ayudar.

Seguimos con las lecciones de biotecnología para la vida diaria.