Ciencia dura y alta cocina
Restauradores moleculares hacen malabarismos con proteínas y polímeros / Nueva investigación de Max Planck publicada
Un físico del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Mainz combina elegantemente su investigación sobre la materia blanda con la cocina como ciencia. Con "Gastronomía molecular" Thomas A. Vilgis, la cocina se convierte en un laboratorio. La última edición de MaxPlanckResearch (4/2003) visitó Vilgis y describe lo que sucede cuando la "ciencia dura" se encuentra con la "alta cocina".¿Por qué la carne se vuelve tierna cuando se cocina, pero si se calienta demasiado hasta la suela dura del zapato? ¿Qué sucede al batir claras de huevo o al clarificar la mantequilla? Los científicos que se autodenominan "restauradores moleculares" se ocupan de tales preguntas sobre la química y la física de los asados, salsas o pudines. Thomas Vilgis es uno de ellos. Su trabajo principal es investigar las propiedades de los polímeros, biopolímeros y los materiales complejos que pueden construirlos en el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Mainz.
Fig.1: La imagen microscópica de las claras de huevo muestra claramente que las paredes de las burbujas de aire están formadas como sándwiches: las capas de proteínas tensioactivas están en contacto directo con el aire, con la fase acuosa incrustada en el medio.
Imagen: MPI para la investigación de polímeros
Las emulsiones, suspensiones, espumas, geles, membranas biológicas o fibras constan de moléculas muy grandes. Estas moléculas, a menudo polímeros, se influyen entre sí en muchas escalas de tamaño: van desde nanómetros (mil millonésimas de metro) hasta micro o incluso milímetros. Esto confiere a todos estos materiales propiedades complejas y al mismo tiempo características. Es por eso que los científicos lo resumen hoy en día bajo el título "materia blanda", que representa un campo de investigación versátil y muy dinámico. La materia blanda incluye todos los materiales biológicos, aparte de los biominerales en huesos y dientes, y por lo tanto, todo lo que comemos.
Un enfoque interesante de la cocina surge, por ejemplo, desde la perspectiva de las proteínas. Estos biopolímeros son moléculas grandes formadas por miles de átomos. En los organismos vivos juegan un papel central en prácticamente todos los procesos bioquímicos. El factor decisivo es que estas moléculas pueden cambiar su forma y, por lo tanto, también su función biológica: algunas proteínas pueden cambiar entre una forma plegada en forma de hoja y una hélice helicoidal. Hasta donde sabemos hoy, estos procesos incluso desencadenan enfermedades cerebrales como la EEB.
Fig. 2: Vista de la forma de una molécula modelo de proteína parcialmente "desenrollada" en diferentes aumentos. Izquierda: La ampliación más fuerte muestra la estructura primaria con átomos individuales que están separados por solo 0,1 a 0,2 nanómetros (mil millonésimas de metro). Aquí puede ver los aminoácidos que forman los componentes básicos de la proteína. La función de la proteína y su estructura secundaria (centro) dependen de su secuencia: esta puede constar de varios elementos como hélices o estructuras laminares. La estructura secundaria finalmente se enreda para formar la estructura terciaria esférica globular de la molécula completa, que es biológicamente activa (derecha).
Imagen: Helmut Rohrer
Thomas A. Vilgis y su equipo están desarrollando nuevos modelos matemáticos, por ejemplo, para comprender mejor el modo de acción de los anticuerpos y las enzimas. Como catalizadores, las enzimas aceleran las reacciones bioquímicas en el organismo, que es lo que hace posibles muchas funciones vitales. Ciertas enzimas también pueden ayudar en la cocción, por ejemplo, como "ablandadores de carne". Las fibras de colágeno lo atraviesan para que el tejido biológico sea firme y elástico al mismo tiempo. Estas fibras de biopolímero consisten en una triple hélice molecular muy estable, pero esto hace que la carne cruda sea dura. El calentamiento o la acción de ciertas enzimas, por ejemplo del jugo de piña fresca o higos, puede transformar el colágeno: las triples hélices se disuelven y los polímeros se combinan para formar una red espacial suelta. Esto crea un gel y la carne se vuelve tierna.
La cocina ofrece diferentes materiales complejos y, por lo tanto, mucho alimento para la curiosidad científica de los restauradores moleculares. Las interfaces, por ejemplo, son de gran interés: en los alimentos, por lo general, consisten en una capa de proteínas ordenadas que tiene solo unos pocos nanómetros de espesor. Tales capas pueden, por ejemplo, conectar gotas de agua y grasa que de otro modo se repelerían entre sí. Esto crea emulsiones como leche y mantequilla. Las interfaces moleculares también dan a las burbujas de aire en las espumas una estabilidad suficiente. Para ello, las moléculas de proteína, que están presentes en forma de bola en la clara de huevo, primero deben "desenrollarse": esto se hace batiendo con el batidor. La clara de huevo transparente se vuelve clara de huevo opaca. Las moléculas de proteína modificadas ahora pueden encerrar las moléculas de agua en el huevo en finas membranas en forma de sándwich. Estas membranas forman cubiertas estables alrededor de las burbujas de aire en la espuma de huevo. Es sorprendente que un dispositivo tan tosco como un batidor pueda cambiar la forma de moléculas de solo unos pocos nanómetros de tamaño. ¡Entonces la nanotecnología tiene una larga tradición en la cocina!
MaxPlanckResearch 4/2003 ya se ha publicado. El folleto de 76 páginas informa de manera emocionante y clara de los institutos de la Sociedad Max Planck. Este número se centra en "Horizontes ópticos": el microscopio tiene 400 años y aún no está agotado. Experimente los ingeniosos métodos que los científicos utilizan hoy en día para viajar al mundo de los más pequeños y los más pequeños, y qué fantásticos conocimientos obtienen en el proceso. El ensayo hace la pregunta "¿Cuánta inteligencia necesita el cerebro?", La rúbrica Investigación y sociedad ("Juegos de números - Ilusiones de certeza") investiga las causas de los errores de pensamiento y los juicios erróneos, el conocimiento de primera mano se dedica a modelos del efecto de productos químicos ambientales. Más artículos en la revista: "El gran comunicador" (con motivo del centenario de Konrad Lorenz) y "SUSY con los benedictinos" (un encuentro inusual de físicos en el monasterio de Maria Laach).
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Enlaces relacionados:
[1] Investigación de MaxPlanck en Internet: http://www.mpg.de/
obra original:
N. Lee, TA Vilgis - Espectroscopia de fuerza de cadena única - lectura de la secuencia de modelos de proteínas HP - Eur. Phys. J. B 28, 415 (2002)
N. Lee, TA Vilgis - Adsorción preferencial de proteínas modelo hidrofóbicas-polares en superficies estampadas - Phys. Rev E 67 de 050901 (2003)
E. Jarkova, N. Lee, TA Vilgis - Comportamiento de hinchamiento de geles anfifílicos sensibles - J. Chem. Phys. 119, 3541 (2003)
Fuente: Mainz [mpg]
