^{Lecciones de biotecnología para la vida diaria}

Para entender la última chulería que diremos del agua, analicemos un sistema acuoso: imaginemos dos recipientes transparentes, ambos aparentemente iguales y con el mismo pH inicial, pero uno de ellos tiene agua pura y el otro una disolución amortiguadora. Y poco a poco, gota a gota, agregas ácido.

Lo que sucede es que el agua cambia su pH casi inmediatamente, mientras que el amortiguador parece imperturbable. Parece. Después de suficientes gotas que continúas agregando, también cambia su pH, y, de hecho, cambia de forma muy abrupta.

Si el ácido entró a la disolución desde la primera gota, ¿dónde estaba todo este tiempo y por qué no cambió el pH? La respuesta está en la disolución amortiguadora que no evitó el golpe ni hizo desaparecer el ácido. Reaccionó con él para que quedaran menos protones libres disponibles para disminuir el pH. Mientras el pH parecía casi inmóvil, la composición del sistema estaba cambiando.

Veamos más a profundidad el sistema: un amortiguador dispone de dos formas químicas capaces de responder en sentidos contrarios: una de ellas puede ceder protones y otra recibirlos. Estas especies son un ácido débil y su base conjugada. Si llegan protones (como cuando añades ácidos), la base conjugada los recibe y se convierte en ácido débil. Si, por el contrario, se agregan bases al sistema, el ácido débil puede cederle protones y de nuevo “amortiguar” el golpe de pH que aparentemente no varía, pero que es el resultado de ese dinamismo químico muchas veces desapercibido.

Cada respuesta modifica la proporción entre el ácido débil y su par base conjugada. El pKa no marca el límite del amortiguador, sino la zona de pH en la que trabaja mejor. Su capacidad depende de cuánto ácido débil y cuánta base conjugada contiene. Por eso dos soluciones con el mimo pH pueden soportar cantidades muy distintas de ácido o base.

Cuando una perturbación consume casi por completo una de las dos formas, el siguiente golpe ya no encuentra suficientes moléculas de ácido débil o de su par conjugado para responder. Entonces viene el cambio abrupto de pH. No es que el amortiguador falle porque de pronto se haya “cansado” y se vuelva débil, sino que ha consumido la reserva química que necesitaba. Porque, ¡sorpresa!, hasta la resiliencia tiene concentración molar.

En biotecnología esta lección es sumamente importante. Por ejemplo, en el cultivo de células animales muchos medios de cultivo contienen bicarbonato que forma un sistema amortiguador con el ácido carbónico. Este tipo de cultivos se mantienen dentro de incubadoras con una concentración de CO2 controlada, frecuentemente cercana al 5%. Al sacar una placa de cultivo y dejarla expuesta al aire, cambia el intercambio de CO2, el equilibrio se desplaza y el pH puede aumentar un poco, lo que dañaría el cultivo. A estos medios muchas veces se les añade rojo de fenol, para que, cuando esto suceda, el cambio de pH se haga visible porque el color del medio se pone rosa intenso o morado. En ese caso el amortiguador no estaba solo dentro del frasco de cultivo, dependía también de la atmósfera que lo rodeaba.

Para algunos bioprocesos descontaminantes, controlar el pH no es un detalle. Por ejemplo, en la biodegradación de contaminantes como los cianuros de los relaves mineros, el cianuro libre puede encontrarse como ácido cianhídrico o como anión cianuro. Cuando el pH desciende por debajo de su pKa, cercano a 9.2, aumenta la proporción de ácido cianhídrico que es la forma molecular, volátil y altamente tóxica. Por eso su biodegradación suele estudiarse en condiciones alcalinas, con amortiguamiento y control de pH que desplacen el equilibrio hacia la formación de anión cianuro y reduzcan el riesgo de volatilización. Lo bueno es que los microorganismos que usamos para eso, como Microbacterium paraoxydans GM09, que aislamos de relaves mineros y secuenciamos su genoma en mi laboratorio, son tolerantes precisamente esas condiciones y, además, podrían producir sustancias que ayudan a basificar el medio.

En un biorreactor, los microorganismos rara vez permanecen discretamente dentro del pH que elegimos para ellos. Mientras crecen, consumen nutrientes y producen ácidos o bases que modifican su propio entorno. El amortiguador absorbe perturbaciones pequeñas y reduce cambios bruscos, pero no sustituye al control activo.

Un amortiguador puede contener las oscilaciones, pero un sistema de control puede corregirlas: un electrodo detectaría el cambio de pH y el sistema puede agregar ácido o base. Los sistemas de control son tema de otra chulería biotecnológica que exploraremos en el futuro.

Regresando al buffer, se puede decir que da margen, reduce variaciones rápidas y ayuda a mantener condiciones compatibles con el metabolismo y la actividad enzimática. Y esto es en verdad muy importante: se ha documentado experimentalmente que modificar el pH inicial de una fermentación puede cambiar el crecimiento, los productos metabólicos y la expresión génica, no solamente hacer que el microorganismo crezca menos o más lento.

Por eso la lección del amortiguador importa mucho en el medio de cultivo, en una reacción enzimática o en la formulación biológica de un bioproceso: debe trabajar en el intervalo adecuado, estar presente en cantidad suficiente y no interferir con el sistema que pretende proteger.

El sistema amortiguador no sale intacto del sistema que amortigua. Cada perturbación modifica su composición y consume una parte de su capacidad. Que el pH todavía no haya cambiado demasiado no significa que el golpe no ocurrió, sino que el sistema está gastando sus reservas para que el resto continúe funcionando.

Resistir no es permanecer indiferente ni aceptar perturbaciones infinitas. Es contar con recursos para responder sin perder inmediatamente la función. Pero los recursos se agotan, y conocer el límite también forma parte de la estabilidad. Luego de pensarlo bien, los sistemas acuosos en biotecnología no son tan extraños a la vida cotidiana, porque ¿cuántas veces admiramos sistemas que siguen funcionando a pesar de los cambios constantes sin preguntarnos qué reserva se está consumiendo para conseguirlo?

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.