Resumen

La acuicultura enfrenta grandes retos y problemáticas, entre los que destacan la activación frecuente de enfermedades de tipo bacteriana. En ese contexto, la aparición de cepas patógenas ha causado graves pérdidas económicas debido su alta mortalidad. Una estrategia innovadora de biocontrol es el uso de bacteriófagos líticos, los cuales eliminan a las bacterias como parte de su ciclo de replicación y evitan la proliferación de éstas de manera inocua para con el organismo y el medio circundante. Recientemente se ha demostrado que el uso de biopolímeros como agentes preservadores de los fagos es una manera eficaz para incrementar su viabilidad, mejorar su estabilidad e incrementar el tiempo de residencia dentro del sistema digestivo de los organismos cultivados. En este sentido, este trabajo pretende explicar de manera clara y sencilla el papel de los fagos líticos en la producción de pescados y mariscos, así como su preservación, para usarlos como tratamiento en el control de bacterias patógenas.
Palabras clave: preservación, fagos líticos, bacteriófagos, acuicultura, biopolímeros.

Bacteriophages and food production

Abstract

Aquaculture faces great challenges and problems, among them, the frequent activation of bacterial-type diseases is one of the most important. In this context, the appearance of bacterial pathogenic strains have caused serious economic losses due to their high associated mortality. An innovative biocontrol strategy is the use of lytic bacteriophages, which eliminate bacteria as part of their replication cycle and prevent their proliferation in a harmless way to the organism and the surrounding environment. Recently, it has been shown that the use of biopolymers as agents for phages preservation is an effective way to increase their viability, improve stability and increase the residence time within the digestive system of culture organisms. In this sense, this paper aims to explain in a clear and simple way the role of bacteriophages in seafood production, as well as their preservation to use them as treatment against pathogenic bacterial diseases.
Keywords: preservation, lytic phages, bacteriophages, aquaculture, biopolymers.

Introducción

En las últimas cuatro décadas, la acuicultura ha sido la actividad agropecuaria con mayor crecimiento a nivel mundial dentro de la industria alimentaria. Su principal función es la de producir organismos acuáticos de importancia nutricional, comercial y económica, con beneficio directo en el sector local, regional o nacional. En México, esta actividad pesquera produce miles de toneladas anuales de mojarra, tilapia, trucha, bagre, ostión, camarón, entre otras especies.

En los últimos años, esta producción se ha visto afectada por una serie de problemas relacionados con la aparición frecuente de enfermedades con alta mortalidad, que son inducidas por bacterias, virus y hongos patógenos. Lo anterior ha reducido considerablemente la producción de alimento de alto valor nutricional y proteico, además de poner en riesgo la continuidad de esta actividad, provocando pérdidas económicas significativas al sector agropecuario.

Para enfrentar dicho reto, se han abordado estrategias como el uso de crías certificadas libres de enfermedades, implementación de buenas prácticas, utilización de medicamentos controlados, entre otros. Sin embargo, la falta de eficacia en estos métodos de control obliga al estudio y desarrollo de nuevas prácticas biotecnológicas que permitan reducir el riesgo asociado a la aparición de enfermedades en las granjas acuícolas a nivel mundial (Moreno-Figueroa et al., 2019).

Bacteriófagos al rescate

Un ejemplo de esta tendencia en biotecnología acuícola es el uso de bacteriófagos como agentes terapéuticos para prevenir y/o combatir enfermedades de origen bacteriano (ej. Vibriosis). Los bacteriófagos o comúnmente llamados fagos son virus formados por un ácido nucleico (adn o arn) envueltos en un saco protector denominado cápside (ver figura 1). Los fagos son capaces de eliminar bacterias patógenas de manera natural como parte de su ciclo de replicación, es decir, utilizan bacterias específicas1 como hospederas para reproducirse y finalmente eliminarlas por medio de una lisis (rompimiento celular) (Principi et al., 2019). Esta selectividad tan específica por un tipo de bacteria es de suma importancia, ya que asegura que los fagos se multipliquen de manera inofensiva en el organismo de cultivo, sin peligro para el medio ambiente y los seres humanos, asegurando la inocuidad del producto alimenticio para su consumo (Jorquera et al., 2015). Por su alta efectividad y nulo efecto secundario, los fagos han sido propuestos como una alternativa viable para reducir el uso medicamentos de uso veterinario y mejorar la calidad y cantidad de los alimentos producidos en el sector acuícola.

Figura 1. Representación gráfica de diferentes virus. A) Bacteriófago de adn. B) bacteriófago de arn. C) Virus genérico. Crédito: elaboración propia.

A la purificación y uso de fagos con fines terapéuticos se le llama fagoterapia. Dentro de la acuicultura, ha mostrado muy buenos resultados ante las principales infecciones provocadas por bacterias pertenecientes a los géneros Vibrio, Pseudomonas, Aeromonas y Streptococcus, lo que aumenta la supervivencia de los organismos hasta en un 100% cuando son infectados con estas bacterias. Estos datos resultan ser muy prometedores, pues la fagoterapia puede ser utilizada como una alternativa viable para reducir el uso excesivo de antibióticos, y, con esto, mantener la inocuidad de los alimentos y reducir la probabilidad de propiciar la proliferación de nuevas cepas bacterianas altamente resistentes, producidas por el uso excesivo de medicamentos.

Se han estudiado diferentes vías de administración de la fagoterapia, para controlar las dosis terapéuticas en peces y crustáceos. De entre las rutas más utilizadas, se encuentran la vía intraperitoneal (inyección muscular) y la vía oral. Se ha observado que la vía intraperitoneal es muy efectiva, pero poco práctica, debido a que es necesario inyectar a cada individuo. Así, cuando hablamos de que en un estanque promedio podemos encontrar hasta cientos de miles de organismos, la aplicación del fago se vuelve inviable con esta práctica. La manera más sencilla y rentable para la administración de fagos es la vía oral, a través de los alimentos. No obstante, esta ruta también presenta retos, debido a que los fagos son sometidos a un intenso estrés, lo que induce la disminución de su viabilidad2. Este estrés es ocasionado por la solubilización del alimento en el agua a diferentes pHs, exposición a temperaturas elevadas durante la extrusión (preparación del alimento), exposición a ácidos gástricos propios del sistema digestivo, o simplemente por efecto de la poca vida de anaquel que presentan los fagos sin la adición de algún preservador o de haber sido sometido a algún proceso para dicho fin.

En cibnor, dentro del grupo de Nanotecnología y Biocontrol Microbiano, se están desarrollando técnicas para incrementar la viabilidad y vida de anaquel de los bacteriófagos. Una de estas técnicas involucra un método de liofilización3 (secado en frío), utilizando sistemas poliméricos biocompatibles y biodegradables como agentes aditivos protectores. Esta técnica es muy prometedora, ya que es capaz de incrementar la vida de anaquel de bacteriófagos de importancia en salud, tanto humana como animal, hasta por lo menos dos meses (Moreno-Figueroa y Cab-Sulub, 2023). Este proceso consta principalmente de dos etapas. En la primera, la biomolécula de interés es congelada junto con algún aditivo protector, mientras que, en la segunda, mediante el uso de un liofilizador, la muestra es sometida a alto vacío y el agua (congelada) es removida por sublimación sin pasar por estado líquido, quedando únicamente la muestra de interés y el aditivo protector en una matriz compacta seca (Manohat y Ramesh, 2019, ver figura 2).

Figura 2. Fotografía de una matriz biopolimérica de bacteriófagos liofilizada. Crédito: elaboración propia.

El principal objetivo de añadir aditivos protectores es el de crear una capa alrededor de los fagos para no dejarlos expuestos al medio externo y, con ello, incrementar su viabilidad. Los aditivos protectores más utilizados incluyen biopolímeros como la gelatina, alginato y azúcares, como la lactosa y trehalosa, los cuales comparten características únicas que incluyen biocompatibilidad, biodegradabilidad, nula toxicidad y alta estabilidad estructural, que permiten transportar a los fagos en diferentes fluidos biológicos con mínimo deterioro (Rosner y Clark, 2021). Un esquema representativo de la matriz biopolimérica de fagos se muestra en la figura 3.

Figura 3. Esquema de una matriz biopolimérica con bacteriófagos. Crédito: elaboración propia.

Una vez liofilizado el caldo de bacteriófagos junto con un aditivo protector, el sistema está listo para poder ser incorporado al alimento de manera práctica y efectiva. De esta manera se asegura que una mayor concentración de fagos podrá llegar íntegro al interior de los organismos de cultivo, lo que aumenta su efectividad ante una posible infección bacteriana (ver figura 4).

Figura 4. Esquema de un estanque de cultivo con organismos alimentados con bacteriófagos, resistentes a bacterias patógenas. Crédito: elaboración propia.

Conclusiones

Una de las ventajas más importantes de la preservación por medio de la liofilización usando agentes protectores es que la concentración inicial de fagos puede mantenerse estable aún si se conservan a temperatura ambiente. Esto podría ser de gran ayuda en aquellas granjas o sitios de producción donde el acceso a la electricidad o cadenas de frío es un impedimento.

Además, la biotecnología descrita en el presente artículo puede ser empleada no sólo para preservar fagos de importancia acuícola, sino también para otros microorganismos benéficos como bacterias y levaduras probióticas, hongos entomopatógenos (que infectan insectos perjudiciales a cultivos agrícolas) o incluso otros fagos de importancia agropecuaria y humana. Por lo tanto, seguir investigando ésta y otras técnicas de preservación podrá contribuir de manera significativa en la disminución de la pérdida de productos agropecuarios por efectos sanitarios (enfermedades ligadas a la producción) y garantizar la soberanía alimentaria de una localidad, región o país.

Referencias

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Recepción: 27/03/2022. Aceptación: 01/11/2023

Resumen

Nuevo León, situado en una región semiseca al norte de México, enfrenta periodos de sequía recurrentes, agravados por el crecimiento poblacional. La escasez de agua se convierte en un desafío crítico para la región, ya que la dependencia de presas y reservas es afectada por factores como la radiación solar, viento, baja humedad relativa y el diseño de los embalses, contribuyendo a pérdidas significativas por evaporación. Este artículo aborda la problemática proponiendo diversos métodos para reducir las tasas de evaporación, como monocapas de alcoholes grasos, shade balls, sistemas modulares flotantes, paneles fotovoltaicos flotantes, así como coberturas flotantes y suspendidas. La implementación de estas tecnologías se examina a la luz de experiencias exitosas en otros países, destacando su potencial para optimizar la gestión del agua en Nuevo León y ofrecer soluciones sostenibles ante los desafíos climáticos y de crecimiento demográfico.
Palabras clave: evaporación, gestión del agua, sequía en Nuevo León, Tecnologías hídricas, Sostenibilidad ambiental.

Methods to Prevent Water Evaporation in Open Reservoirs

Abstract

Nuevo León, located in a semi-arid region in the Northern part of Mexico faces recurrent periods of drought exacerbated by population growth. Water scarcity becomes a critical challenge for the region as dependence on dams and reservoirs is affected by factors such as solar radiation, wind, low relative humidity, and reservoir design, leading to significant losses through evaporation. This article addresses the issue by proposing various methods to reduce evaporation rates, including monolayers of fatty alcohols, shade balls, floating modular systems, floating photovoltaic panels, as well as floating and suspended covers. The implementation of these technologies is examined in light of successful experiences in other countries, highlighting their potential to optimize water management in Nuevo León and provide sustainable solutions to climate and demographic challenges.
Keywords: evaporation, water management, drought in Nuevo León, water technologies, environmental sustainability.

Introducción

Nuevo León (nl) es un estado ubicado en una región semidesértica con escasa disponibilidad natural de agua. En los últimos cuatro años, ha experimentado una transición de condiciones anormalmente secas a una situación de sequía severa (conagua, 2020a). La precipitación media anual ha disminuido de 682.1 mm en 2016 a 525.5 mm en 2020 (conagua, 2020b). Desde agosto de 2020, nl enfrenta los efectos de la sequía, un fenómeno climático cíclico. Por consiguiente, la falta de lluvias ha llevado a que las presas del estado no cuenten con suficiente agua para abastecer a la población por más de un año (Flores, 2021). Considerando esta situación y anticipando la llegada de más de 1.2 millones de nuevos habitantes para el año 2030, resulta crucial implementar medidas que contribuyan al ahorro de este recurso vital (imco, 2023).

El problema de acumular agua y la pérdida por evaporación

México recibe anualmente aproximadamente 1,489 mil millones de metros cúbicos de agua en forma de precipitación, principalmente en la región sureste. De esta cantidad, el 73% se evapotranspira1 y regresa a la atmósfera, el 22% fluye por ríos o arroyos, y el 6% se infiltra naturalmente al subsuelo (Visión General del Agua en México, s.f.). Según la distribución porcentual del agua concesionada por uso en México (89.6 miles de hectómetros cúbicos [hm³]), el 76% se destina al sector agropecuario, el 15% al abastecimiento público, el 5% a la industria autoabastecida y el restante 4% a las centrales termoeléctricas (Figura 1a; imco, 2023).

En contraste, el estado de Nuevo León tiene un consumo total de 2,069 hm³ al año, de los cuales 1,184 hm³ (57%) provienen de fuentes superficiales, y los restantes 885 hm³ (43%) de fuentes subterráneas (Clariond Reyes y Garza Garza, 2018). Según conagua, los usos consuntivos del agua (ver figura 1b) se distribuyen en el sector agrícola (70.42%), el abastecimiento público (25.48%), la industria (4.09%) y la energía eléctrica (menos del 0.01%) (conagua, 2018).

Figura 1. Distribución porcentual del uso del agua en México (a) y Nuevo León (b). Fuente: elaborado con información del Instituto Mexicano para la Competitividad A.C. 2023 y el Plan Hídrico Nuevo León 2050.

A pesar de las acciones propuestas para hacer frente a las sequías, como el manejo de cultivos y la construcción de nuevas infraestructuras de almacenamiento, aún es necesario llevar a cabo acciones de planeación y generación de mecanismos de alerta temprana (Crespo-Elizondo y Ramiréz, 2018).

En la actualidad, Nuevo León cuenta con presas como El Cuchillo, José López Portillo (Cerro Prieto), Rodrigo Gómez (La Boca), Agualeguas, Sombreretillo, El Porvenir y Loma Larga (inegi, s.f.) para abastecer las necesidades de la población; sin embargo, el nivel de almacenamiento tiende a descender peligrosamente durante las temporadas de sequía y con el transcurso de los años (conagua, 2022). Por ello, es esencial investigar los factores asociados al proceso de evaporación de estos cuerpos de agua, así como implementar métodos que permitan reducir las tasas de evaporación en las aguas superficiales de Nuevo León y México.

Factores que afectan la evaporación del agua

La radiación solar se erige como la principal causa de la evaporación. Aproximadamente la mitad de la energía solar recibida anualmente se destina a la evaporación del agua de continentes y océanos (Water Vapor and Climate Change, s.f). Cuando la humedad relativa desciende por debajo del 100%, las moléculas de agua se dispersan en el aire, desencadenando el proceso de evaporación; cuanto menor sea el porcentaje, más fácil se produce este fenómeno (Boyd, 2019). A este factor se suma el hecho de que en la última década la temperatura promedio del país (22.4 °C en 2020) y del Estado de Nuevo León ha sido ligeramente superior a lo anticipado (Albanil et al., 2017), lo cual agrava la situación. Además, el tamaño del reservorio es otro elemento significativo: el agua se evapora más rápidamente cerca de los bordes del estanque y en mayor cantidad cuando la superficie es más extensa (López Moreno, 2008).

Figura 2. Monocapas de alcoholes grasos. Crédito: elaboración propia.

Tecnologías para la reducción de la evaporación

Con el propósito de minimizar las pérdidas de agua por evaporación, se han desarrollado diversos métodos, entre los cuales destacan las monocapas de alcoholes grasos, los sistemas modulares flotantes de diversas geometrías, los paneles fotovoltaicos, las cubiertas flotantes continuas y las cubiertas suspendidas (Figura 2).

Las monocapas están compuestas por alcoholes grasos, como el alcohol estearílico, que actúan como barrera para prevenir la evaporación (Waheeb Youssef y Khodzinskaya, 2019). Las shade balls, hechas de polietileno de alta densidad con un aditivo de negro de carbón para proteger el plástico de la radiación solar (Kurek, 2018), se utilizaron en 2015 para contrarrestar la sequía en California (ver figura 3). Los sistemas modulares flotantes, fabricados con derivados del plástico y con formas planas geométricas, están diseñados para reducir de manera significativa la evaporación del agua. Por otro lado, los sistemas fotovoltaicos flotantes desempeñan una función dual, disminuyendo la evaporación del agua y generando energía (Schmidt et al., 2020; ver figura 4). Finalmente, las cubiertas flotantes continuas forman una barrera impermeable que flota sobre la superficie del agua para reducir la evaporación (Waheeb Youssef y Khodzinskaya, 2019; figuras 5 y 6). Mientras tanto, las cubiertas suspendidas (mallas sombra; shadecloth) son estructuras suspendidas instaladas sobre superficies de agua que reducen la acción del viento y bloquean la radiación solar para prevenir la evaporación (Waheeb Youssef y Khodzinskaya, 2019).

Figura 3. Shade balls (Luna, 2015).

Figura 4. Paneles fotovoltaicos flotantes (The Agility Effect, 2019).

Figura 5. Coberturas flotantes (Waterlines Solutions, 2024).

Figura 6. Otros sistemas flotantes (Hexa-Cover, 2022).

Aplicación de las tecnologías para la reducción de la evaporación

En la actualidad, existen diversas estrategias que permiten abordar de manera efectiva y eficiente el problema de la evaporación del agua. Países como Estados Unidos, Chile, España, Reino Unido, Japón, entre otros, han implementado tecnologías de este tipo con resultados favorables (Martínez, 2016). Sin embargo, en México, los esfuerzos se han centrado en aplicaciones que no necesariamente están relacionadas con la reducción de la evaporación en embalses o reservorios a cielo abierto.

Por ejemplo, el uso de mallas sombra se emplea en agricultura como una estrategia para proteger a las plantas de la radiación solar directa, reducir la temperatura y prevenir la quemadura de los frutos por el sol (Kriuchkova et al., 2018; ver figura 7). En cuanto a los módulos fotovoltaicos, en México (Puerto Peñasco, Sonora) se está desarrollando el parque fotovoltaico más grande de América Latina (Suárez, 2023). A pesar de esto, no se ha considerado que estos sistemas podrían aplicarse en embalses, donde además de producir energía fotovoltaica, podrían evitar la evaporación y ahorrar grandes cantidades de agua. Un ejemplo de este uso dual se observa en el estado de California, Estados Unidos, donde la implementación de estos sistemas ha sido una solución efectiva para mitigar la sequía severa (Palou, 2022).

Figura 7. Mallas sombras. (NetPro, s.f.).

En México, específicamente en el estado de Michoacán, se llevó a cabo una iniciativa donde se implementó una cubierta flotante para reducir la evaporación de agua. En 2016, comenzó a operar el sistema de captación de agua de lluvia más grande de Latinoamérica (Fuentes-López, 2019), que consiste en un reservorio para el almacenamiento del agua de lluvia y una cubierta flotante complementada con sistemas modulares flotantes de policloruro de vinilo, los cuales, entre otras funciones, evitan la evaporación del agua (Cervantes Gutiérrez et al., 2016). Sin embargo, hasta el momento, no se han documentado más casos de la implementación de métodos para reducir las tasas de evaporación en aguas superficiales ni en Nuevo León ni en otros estados del país.

Por lo tanto, los retos fundamentales incluyen el diseño e implementación de estrategias, programas y políticas que impulsen el desarrollo de energías alternativas y su aplicación como parte de los planes hídricos a nivel estatal y nacional. Asimismo, un diagnóstico de la situación actual y prospectiva permitirá construir un escenario futuro en el que se identifiquen los programas y proyectos necesarios, siguiendo el ejemplo de otros países, para promover una transición hacia la sostenibilidad y el cuidado de los recursos.

Conclusiones

Gracias al desarrollo científico y tecnológico, se han creado estrategias para mitigar las altas tasas de evaporación en embalses. La mayoría de los sistemas eficaces, como las cubiertas flotantes o suspendidas, pueden funcionar para estanques de riego pequeños. Sin embargo, los paneles solares flotantes destacan por su doble función de reducir la evaporación y generar energía limpia, a pesar de los altos costos de ejecución. Esta alternativa podría implementarse en las superficies de reservas de agua más afectadas por los factores causantes de la evaporación, por ejemplo, en las zonas menos profundas.

Aunque estas estrategias aún no se han desarrollado en Nuevo León, es recomendable crear condiciones para iniciar la implementación de sistemas que eviten las altas tasas de evaporación, como los paneles solares o sistemas modulares flotantes con altos porcentajes de efectividad, tanto en estanques pequeños del estado como en otras zonas secas de México. Es crucial tomar medidas para hacer frente a las crisis actuales y futuras de agua, desde fomentar la cultura del ahorro de agua hasta mejorar las infraestructuras de riego e investigar nuevas formas de resistir sequías y preservar los ya muy dañados recursos hídricos del estado y del país.

Referencias

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Recepción: 28/6/2022. Aceptación: 01/11/2023.

Resumen

Los anfibios, como las ranas y los ajolotes, no sólo son ingredientes comunes en platillos y remedios tradicionales en México, sino que también desempeñan funciones vitales en diversos ecosistemas. Estos animales tienen un ciclo de vida que abarca dos entornos distintos: el agua, donde se manifiestan como renacuajos, y la tierra, donde los identificamos como ranas, sapos, salamandras y cecilias. Gracias a esta característica única, los anfibios actúan como eslabones cruciales en los ecosistemas, sirviendo como un “puente de nutrientes” entre los ambientes acuático y terrestre. Al alimentarse de insectos, los anfibios desempeñan un papel clave como controladores de plagas en algunos cultivos y reguladores de las poblaciones de insectos portadores de enfermedades. Lamentablemente, numerosas especies de anfibios enfrentan el peligro de extinción, lo que amenaza tanto sus funciones ecológicas como su presencia en platillos y remedios tradicionales.
Palabras clave: anfibios, ajolote, control de plagas, medicamentos, especies en peligro de extinción.

Amphibians: dishes, remedies and their role in ecosystems

Abstract

Amphibians, such as frogs and axolotls, are not only common ingredients in traditional dishes and remedies in Mexico but also play vital roles in various ecosystems. These creatures have a life cycle that spans two distinct environments: water, where they appear as tadpoles, and land, where we identify them as frogs, toads, salamanders, and caecilians. Thanks to this unique characteristic, amphibians serve as crucial links in ecosystems, acting as a ‘nutrient bridge’ between aquatic and terrestrial environments. By feeding on insects, amphibians play a key role as pest controllers in certain crops and regulators of populations of disease-carrying insects. Unfortunately, numerous amphibian species face the danger of extinction, threatening both their ecological functions and their presence in traditional dishes and remedies.
Keywords: amphibians, ajolote, pest control, medication, threatened species.

Mi tía y los tamales de rana

Durante una reunión familiar, que ahora se ve muy lejana, mi tía Mercedes nos contó de un antojito bastante curioso: “Hace años cuando el río estaba limpio salíamos en la noche para agarrar ranas y las freíamos con manteca para hacer tamales, antes por aquí había un chorro, después de que llovía se la pasaban cantando… ¡Sabían re buenas!” Al notar que a mi tía se le hacía agua la boca, no pude evitar sentir cierta curiosidad por la textura y el sabor de esos tamales. Además, me vino a la mente otro producto peculiar que solía tomar mi abuelita: un “jarabe de ajolote”, que afirmaba ser muy eficaz contra la gripe y otras enfermedades. Nunca lo probé (ni siquiera sabía qué era un ajolote, pero no parecía apetitoso). Más tarde descubriría la importancia de estos animales para el ser humano, los ecosistemas y el alto riesgo que corren de desaparecer del mundo.

El ciclo de la vida de los anfibios

Ahora sé que la rana y el ajolote son anfibios, animales con piel desnuda, sin pelo, escamas o plumas. Tienen una vida compleja y llena de peligros. En primer lugar, sus huevos, a diferencia de los de aves, reptiles y algunos mamíferos, no tienen cascarón y son depositados en agua, tierra húmeda o incluso en las hojas de algunos árboles (Figura 1). Después, si los huevos no son devorados por serpientes, arañas u otros anfibios, emergen las larvas, conocidas como renacuajos, que viven en el agua. Si los renacuajos se alimentan lo suficiente, les crecerán patas; las larvas de rana reabsorberán su cola (¡ojo!, no se les cae), mientras que las larvas de salamandra conservarán la cola (Figura 2). Finalmente, una vez que tienen cuatro patas, salen del agua.

Figura 1. Nidada de la rana de cristal (Hyalinobatrachium fleischmanni) en las hojas de un árbol. Crédito: Marco Tulio Oropeza Sánchez.

Figura 2. Larva de ajolote o achoque (Ambystoma ordinarium). Crédito: Marco Tulio Oropeza Sánchez.

Al abandonar el agua, las amenazas para los anfibios no disminuyen; ahora deben cuidarse de los depredadores terrestres y encontrar un refugio lo suficientemente húmedo que les permita soportar el calor e insolación. Cuando están bien alimentados y han crecido lo suficiente, los anfibios alcanzan la edad adulta y están listos para reproducirse, regresando a la charca o arroyo donde nacieron para encontrar pareja, depositar sus propios huevos y comenzar el ciclo nuevamente. Cuando las ranas de mi pueblo regresaban a esa charca, terminaban en los tamales de mi tía o de alguna otra señora.

Las amenazas para los anfibios

Hace aproximadamente tres décadas, surgió la alerta de que los anfibios enfrentaban una preocupante desaparición, principalmente debido a la sustitución de bosques y selvas por cultivos masivos, pastizales destinados al ganado o áreas urbanas, como zonas habitacionales. En estos entornos, muchas especies de anfibios no pueden sobrevivir. Además, con el crecimiento de las grandes ciudades, es común que los cuerpos de agua cercanos sean contaminados o explotados hasta su desaparición. Como si esto no fuera suficiente, muchos anfibios se ven afectados por enfermedades exóticas, transmitidas por anfibios que llegan de países lejanos debido a la venta ilegal (Scheele et al., 2019).

Esta problemática ha alcanzado proporciones alarmantes, llegando al punto en que, en la actualidad, el 41% de las especies de anfibios en todo el mundo están en peligro de extinción. En México, la situación es aún más crítica, ya que cerca del 60% de los anfibios en nuestro país están en riesgo de desaparecer (Frías-Alvarez et al., 2019).

Debido a esta “desaparición forzada” de las ranas cerca de la casa de mi tía, no llegué a conocer los tan famosos tamales. Una situación similar ocurrió con el jarabe que tomaba mi abuelita, elaborado con ajolotes del Lago de Pátzcuaro, Michoacán. Aunque hace pocos años se podían observar ajolotes en este lago, la contaminación ha llevado a que estos animales, conocidos como “achoques” en la región, casi desaparezcan por completo. Para contrarrestar esta situación, las hermanas de la orden de María Inmaculada de la Salud en Pátzcuaro han establecido una Unidad de Manejo Ambiental (uma) durante los últimos 20 años, bajo la dirección de Sor Ofelia. El propósito de esta uma es criar la especie de ajolote (Ambystoma dumerilli) y continuar con la producción del jarabe. Gracias a esta actividad, la crianza responsable del ajolote para su consumo ha resultado posible, y Sor Ofelia expresa: “El sentimiento de ayudar a la conservación de una especie es muy gratificante, ya que nuestro deber como habitantes de esta tierra no es solo consumir lo que se nos provee, sino también velar por aquellos que vienen después de nosotros”.

El papel de los anfibios en los ecosistemas

Los anfibios no son simplemente ingredientes en platillos y remedios tradicionales; desempeñan un papel crucial en los ecosistemas. Con un ciclo de vida que abarca tanto el agua como la tierra, los anfibios contribuyen al ciclo de nutrientes cuando hacen sus necesidades o son devorados por otros animales, proporcionando nutrientes que provienen de los cuerpos de agua (Whiles et al., 2006). Dado que los anfibios se alimentan principalmente de insectos, desempeñan un papel clave en el control de plagas que afectan a los cultivos que nos sustentan. Este control de plagas se ha observado en localidades cercanas a la Reserva Estatal Sierra de Montenegro, entre los estados de México y Morelos, donde se reconoce a dos especies de anfibios, el sapo de caña de azúcar (Rhinella marina; Figura 3), conocido en algunos lugares como “cacas de vaca”, y la rana de río (Lithobates zweifelli; Rojas et al., 2015).

Figura 3. Sapo de caña de azúcar (Rhinella marina). Crédito: Marco Tulio Oropeza Sánchez.

La idea de utilizar anfibios para controlar plagas en cultivos suena prometedora, pero, a pesar de las buenas intenciones, trasladar a los anfibios fuera de su hábitat natural (junto con otros animales) puede resultar perjudicial para otros seres vivos. En el pasado, sapos de caña y ranas toro (Lithobates catesbeianus) fueron transportados lejos de sus países de origen con el propósito de controlar plagas de insectos en diferentes cultivos. Sin embargo, estos anfibios se encontraron con nuevos entornos donde hallaron abundantes presas y carecían de depredadores naturales, lo que les permitió tener una vida prolongada. Como resultado, ambas especies compiten por el alimento o se alimentan indiscriminadamente de anfibios nativos en los países que colonizaron con la ayuda del ser humano (Harvey et al., 2022; Jancowski y Orchard, 2013; Oda et al., 2019).

Los remedios desde los anfibios

Al alimentarse de insectos como los mosquitos, los anfibios desempeñan un papel crucial en la regulación de sus poblaciones y, consecuentemente, en la prevención de enfermedades transmitidas por estos insectos, tales como el virus del dengue, zika o chikungunya (Hagman y Shine, 2007). Debido a que el crecimiento de las zonas urbanas está relacionado con disminución de los anfibios, parece que nosotros mismos nos privamos del anterior beneficio. Sin embargo, los anfibios nos ofrecen una segunda oportunidad para comprender su importancia para la salud humana. Recientemente, se descubrió que la piel de la rana leopardo (Hydrophylax bahuvistara; pariente lejano de la rana de río) contiene sustancias que podrían servir como tratamiento contra el virus del zika (Lee et al., 2021). Después de varios ensayos de laboratorio, un grupo de científicos concluyó que las sustancias presentes en la piel de la rana pueden ser eficaces en el tratamiento del zika, y no solo eso, sino que también podrían ser útiles en la lucha contra enfermedades como el dengue.

Por si fuera poco, aquellos que padecen úlcera y reflujo deben agradecer a la Rana Incubadora Gástrica (Rheobatrachus silus) por la existencia de la ranitidina. Esta rana incubaba sus huevos en un lugar remoto, dentro de su propio estómago, como estrategia para proteger a su progenie de los depredadores. Aunque pueda parecer extraño que una rana se trague a sus propios hijos, el estómago de la mamá rana demostró ser un ambiente propicio, ya que los huevecillos producían sustancias que detenían el flujo de jugos gástricos, evitando la digestión de sus crías hasta que emergieran como pequeñas ranas. Gracias a las observaciones oportunas de la Rana Incubadora Gástrica es que hoy contamos con dicho medicamento, aunque lamentablemente se declaró extinta en 2002 debido a la quitridiomicosis, una enfermedad provocada por un hongo que ha reducido las poblaciones de anfibios en todo el planeta (Burns et al., 2016).

Conclusión

Al alterar nuestro entorno y reemplazar los bosques naturales, nos infligimos a nosotros mismos un daño, nos hacemos la maldad: nos privamos de platillos y remedios tradicionales. La introducción de especies de otros países y la destrucción de nuestros bosques rompen el equilibrio de los ecosistemas, propiciando incluso la propagación de enfermedades que afectan a un gran número de personas. El caso de la extinta Rana Incubadora Gástrica y el descubrimiento de la ranitidina ilustran cómo, en la actualidad, estamos perdiendo tanto especies de anfibios como tratamientos para diversas enfermedades. Este declive podría evitarse al detener la destrucción de las áreas naturales.

Aunque no todas las personas son conscientes de la importancia de los anfibios, hay individuos que han asumido la responsabilidad de protegerlos, y se les agradece su esfuerzo. Para garantizar que las futuras generaciones disfruten de los beneficios de los anfibios, es crucial crear conciencia y compartir responsabilidades mediante pequeñas acciones, como reducir el consumo de agua y evitar la compra ilegal de animales. Creemos que la sociedad en general debe esforzarse por preservar los hábitats de los anfibios, a pesar de los desafíos planteados por el crecimiento de las ciudades, la demanda de viviendas y alimentos. No obstante, si tomamos la decisión consciente de proteger nuestros bosques y cuerpos de agua, tal vez en unos años, además de evitar la pérdida de especies, podríamos deleitarnos con unos exquisitos tamales de rana.

Referencias

• Burns, T. J., Greener, M. S., y Hoskisson, P. A. (2016). Chytridiomycosis as a cause of global amphibian declines. Microbiology Australia, 37(4), 190-193. https://doi.org/10.1071/MA16063.
• Frías-Alvarez, P., Zúñiga-Vega, J.J. y Flores-Villela, O. (2010). A general assessment of the conservation status and decline trends of Mexican amphibians. Biodiversity and Conservation, 19(13), 3699-3742. https://doi.org/10.1007/s10531-010-9923-9.
• Hagman, M., y Shine, R. (2007). Effects of invasive cane toads on Australian mosquitoes: does the dark cloud have a silver lining? Biological Invasions, 9, 445-452. https://doi.org/10.1007/s10530-006-9051-3.
• Jancowski, K., y Orchard, S. (2013). Stomach contents from invasive American bullfrogs Rana catesbeiana (= Lithobates catesbeianus) on southern Vancouver Island, British Columbia, Canada. NeoBiota, 16, 17-37. https://doi.org/10.3897/neobiota.16.3806.
• Lee, S. H., Kim, E. H., O’Neal, J. T., Dale, G., Holthausen, D. J., Bowen, J. R., Quicke, K. M., Skountzou, I., Shyla, G., George, S., Wrammert, J., Suthar, M. S., y Jacob, J. (2021). The amphibian peptide yodha is virucidal for zika and dengue viruses. Scientific Reports, 11(1). https://doi.org/10.1038/s41598-020-80596-4.
• Oda, F. H., Guerra, V., Grou, E., de Lima, L. D., Proenca, H. C., Gambale, P. G., … y Ortega, J. C. G. (2019). Native anuran species as prey of invasive American bullfrog Lithobates catesbeianus in Brazil: a review with new predation records. Amphibian y Reptile Conservation, 13(2), 217-226. https://n9.cl/bk5mw.
• Rojas, M. A. R., Flores, A. G., Castro, E. E. N., Cano, A. A., y Martínez, R. M. (2015). Conocimiento etnoherpetológico de dos comunidades aledañas a la Reserva Estatal Sierra de Montenegro, Morelos, México. Etnobiología, 13(2), 37-48. https://goo.su/uJxDz.
• Scheele, B. C., Pasmans, F., Skerratt, L. F., Berger, L., Martel, A., Beukema, W., Acevedo, A., Burrowes, P. A., Carvalho, T., Catenazzi, A., De La Riva, I., Fisher, M. C., Flechas, S. V., Foster, C., Frías-Álvarez, P., Garner, T. W. J., Gratwicke, B., Guayasamín, J. M., Hirschfeld, M., . . . Canessa, S. (2019). Amphibian fungal panzootic causes catastrophic and ongoing loss of biodiversity. Science, 363(6434), 1459-1463. https://doi.org/10.1126/science.aav0379.
• Whiles, M. R., Lips, K. R., Pringle, C. M., Kilham, S. S., Bixby, R. J., Brenes, R., Conelly, S. Colon-Gaud, J.C., Hunte-Brown, M., Huryn, A. D., Montgomery, C. y Peterson, S. (2006). The effects of amphibian population declines on the structure and function of Neotropical stream ecosystems. Frontiers in Ecology and the Environment, 4(1), 27-34. https://doi.org/b7tq27.

Recepción: 03/11/2022. Aceptación: 01/11/2023.

Resumen

Sin lugar a duda, la contaminación química al medio ambiente es uno de los problemas más grandes de la actualidad. En definición, un contaminante químico es una sustancia que no debería estar de forma natural en ese preciso lugar. Estas sustancias pueden entrar a nuestro cuerpo a través del aire, comida, agua o inclusive a través de la piel. El estar expuesto prolongadamente a estas sustancias, puede ocasionar enfermedades graves. Un ejemplo de estas sustancias es el Bisfenol A, una sustancia utilizada para producir plásticos. Bisfenol A tiene una estructura muy similar a las hormonas, por lo que el estar expuesto a esta sustancia puede afectar nuestro metabolismo, hacernos infértiles o inclusive provocar cáncer, y esta solo es una sustancia entre miles. La mayor cantidad de este tipo de contaminantes proviene de la industria. Por suerte, estos problemas generaron el surgimiento de la química verde. En este artículo se discuten algunas estrategias experimentales y computacionales verdes que tanto la industria como los grupos enfocados al desarrollo de fármacos han implementado para hacer dichos procesos más sostenibles y ecológicos.
Palabras clave: química verde, fármacos sostenibles, industria farmacéutica eco, estrategias verdes, informática y química.

Greening the pharmaceutical industry: green chemistry in drug development

Abstract

Without a doubt, chemical contamination of the environment is one of the biggest problems today. By definition, a chemical pollutant is a substance that should not be naturally in that precise place. These substances can enter our body through air, food, water or even through the skin. Persistent exposure to these materials can cause dangerous sickness. An example of this is Bisphenol A, a substance used to produce plastics. Bisphenol A has a very similar structure to hormones, so being exposed to this substance can affect our metabolism, make us infertile or even cause cancer, and this is only one substance among thousands. Most of this type of contaminant comes from industry. Fortunately, these problems spawned the rise of green chemistry. This article discusses some green experimental and computational strategies that both the pharmaceutical industry and groups focused on drug development have implemented to make these processes more sustainable and ecological.
Keywords: green chemistry, sustainable drugs, eco-friendly pharmaceutical industry, green strategies, computer science and chemistry.

¿Qué es química verde?

La química verde es un nuevo enfoque de la química que busca cambiar los procesos y productos contaminantes actuales por otros que no lo sean. Dos profesores norteamericanos, Paul Anastas y John Warner, fueron los pioneros en desarrollar una serie de postulados conocidos como “los 12 principios de la química verde” (Anastas y Warner, 2000:30) (Figura 1), los cuales son aplicables a la medicina, agricultura y la industria química. Estos 12 principios fácilmente se pueden resumir en un principio general que postula que “es mejor no producir contaminantes que tener que limpiarlos”. La vida como la conocemos actualmente sería imposible sin química, pero si seguimos con la química contaminante actual, la vida en unos 100 años será también imposible.

Figura 1. 12 principios de la Química Verde, aplicables en medicina, agricultura e industria química. Crédito: elaboración propia con información de Anastas y Warner, 2000.

Por lo tanto, es de suma importancia que se implementen procesos verdes a lo largo de la industria. Es fácil imaginarse la aplicación de estos principios en varios productos de la industria, pero ¿te imaginas un medicamento amigable con el medio ambiente?

Al abandonar el agua, las amenazas para los anfibios no disminuyen; ahora deben cuidarse de los depredadores terrestres y encontrar un refugio lo suficientemente húmedo que les permita soportar el calor e insolación. Cuando están bien alimentados y han crecido lo suficiente, los anfibios alcanzan la edad adulta y están listos para reproducirse, regresando a la charca o arroyo donde nacieron para encontrar pareja, depositar sus propios huevos y comenzar el ciclo nuevamente. Cuando las ranas de mi pueblo regresaban a esa charca, terminaban en los tamales de mi tía o de alguna otra señora.

La industria farmacéutica

Los diferentes procesos para el desarrollo de medicamentos y materiales se han venido realizando de la manera tradicional, en la cual se consumen grandes cantidades de recursos naturales y se generan gran cantidad de contaminantes que impactan de manera desfavorable en el medio ambiente. En la actualidad, se ha demostrado que dichos procesos pueden ser reemplazados por métodos y materiales compatibles con el entorno que tienen un menor impacto en el medio ambiente. Un mecanismo empleado por la industria farmacéutica ha sido la sustitución de rutas de síntesis química (Figura 2) tradicionales por otras alternativas, en las que se busca reducir las sustancias contaminantes. También existen otros tipos de síntesis química que incorporan procesos que aprovechan la energía solar (síntesis fotoquímica) y la asistida con horno de microondas, además de otras que emplean compuestos químicos poco dañinos y la utilización de recursos renovables que pueden ser reutilizados y recuperados.

Figura 2. La figura ilustra el proceso de la síntesis química de un fármaco. A) Se muestran las moléculas que reaccionan entre sí (A y B) para formar el compuesto A-B, el cual posteriormente se separa mediante el proceso de purificación. Crédito: elaboración propia.

Ejemplos de Síntesis Verde de Fármacos

El desarrollo y síntesis de fármacos son procesos altamente costosos, por lo que la industria farmacéutica requiere del diseño de rutas de síntesis química que sean amigables con la naturaleza, sin descuidar la demanda de su producto en el mercado. En este sentido, varias industrias farmacéuticas han rediseñado sus rutas de síntesis aplicando los principios de química verde introducidos por Anastas y Warner, y también aplicando el concepto de “Economía Atómica”, introducido por Barry Trost (Trost et al., 1995). Este concepto implica que gran parte de los átomos presentes en las moléculas que van a reaccionar entre sí terminen en el producto y no en residuos o desechos (Figura 3).

Figura 3. Economía atómica de una reacción química. La figura ilustra la representación entre una alta o baja economía. Crédito: elaboración propia con información de Trost et al., 1995.

Aplicando estos conceptos, la industria farmacéutica ha logrado optimizar la producción de ibuprofeno, cuyo nombre comercial es Advil o Motrin. Este fármaco inicialmente se sintetizaba en seis pasos con una eficiencia de alrededor del 40 % de economía atómica, mientras que, aplicando la química verde, se ha logrado sintetizar en 3 pasos con un rendimiento del 77 % (Figura 4). De esta forma, es posible ahorrar kilogramos de reactivos y disminuir la generación de grandes cantidades de desechos (Anastas et al., 2001).

Figura 4. Síntesis de ibuprofeno mediante métodos tradicionales y aplicando la química verde. La ruta verde no produce hidróxido de aluminio, un contaminante al medio ambiente. Crédito: elaboración propia con información de Anastas et al., 2001.

Informática Verde

Síntesis química de fármacos de manera sostenible

Con la incorporación de la química verde en el diseño de la ruta de síntesis de fármacos y otros compuestos, ha surgido el desarrollo de herramientas informáticas para evaluar la sostenibilidad y “verdor” de la síntesis química (Derbenev et al., 2022). Muchas de estas herramientas permiten evaluar la eficiencia de una nueva ruta de síntesis verde. La mayoría de las herramientas informáticas que evalúan el “verdor” de un proceso químico miden la intensidad de masa del proceso (Process Mass Intensity, pmi, por sus siglas en inglés) (Borovika et al., 2019), el factor ambiental (factor E), el rendimiento de reacción y otros. Esto se hace para evaluar si un proceso químico es eficiente y si los productos químicos implicados son seguros, o si el uso de productos químicos peligrosos es minimizado. Otro reto es el desarrollo de software para ayudar a los químicos sintéticos a evaluar la sostenibilidad y “verdor” de la síntesis química (Derbenev et al., 2022). Un ejemplo es el uso de cuadernos electrónicos de laboratorio (Electronic Laboratory Notebooks, eln, por sus siglas en inglés), que son una versión digital (Figura 5A) del cuaderno de papel tradicional.

Figura 5. Cuaderno electrónico de laboratorio y página de entrada en la aplicación Green Solvents. Cuaderno electrónico (A), página de entrada para iPhone (B) y iPad (C). Se accede al contenido tocando la molécula, y se abre una nueva página (D y E) con información de las moléculas que asignan puntuaciones (bueno=1, malo=10) para diferentes criterios de seguridad, salud, aire, agua y residuos, además del número de identificación único de la substancia (cas). Panel D y E señalan un mal y buen solvente, respectivamente. Crédito: elaboración propia.

Estos dispositivos contienen secciones que consideran métricas de química verde. Un ejemplo sería en el caso de que quisiéramos elegir un solvente verde para una síntesis química; este software permite elegir entre distintos disolventes agrupados por clase química y codificados por color (Figura 5B-E). Dicha codificación se basa en la guía de selección de solventes de la Sociedad Química Estadounidense, Mesa Redonda Farmacéutica del Instituto de química verde (The American Chemical Society Green Chemistry Institute Pharmaceutical Roundtable, acsgcipr, por sus siglas en inglés), la cual clasifica los solventes con base en su impacto en la seguridad, salud y medio ambiente (aire, agua y residuos). No obstante, aunque el conocimiento de tales métricas es bastante útil, este conocimiento es solo el punto de partida, ya que se requiere más información para la elección de los pasos individuales de síntesis y el mejoramiento de la misma. Para este propósito se emplean métodos de retrosíntesis (Figura 6), que permiten retroceder paso a paso desde una molécula objetivo hasta un conjunto de compuestos sencillos.

Figura 6. Síntesis y retrosíntesis de aspirina. La figura ilustra la disparidad entre la síntesis y la retrosíntesis, junto con un conjunto de compuestos simples que pueden ser contemplados para trazar la ruta de esta última. Crédito: elaboración propia.

Para lograrlo, se apoya en la inteligencia artificial junto con extensas bases de datos experimentales (Figura 7), que contienen información sobre reacciones químicas conocidas. Esto permite que el algoritmo de inteligencia artificial navegue por secuencias de reacción alternativas y proporcione nuevas propuestas (Lin et al., 2020). A pesar de los avances en estas herramientas informáticas, el progreso en su desarrollo recae principalmente en manos de químicos computacionales y no tanto en investigadores experimentales (Kanza et al., 2017; Kanza et al., 2021), dado que ya se dispone de suficientes bases de datos experimentales.

Figura 7. Representación del ciclo de la predicción de nuevas rutas de síntesis química. Bases de datos experimentales que contienen información sobre reacciones químicas conocidas (A), aprendizaje automático por algoritmo de inteligencia artificial (B), interpretación humana o automatizada y diseño de nuevas propuestas (C), y síntesis química, humana o robótica (D). Crédito: elaboración propia.

Diseño de Fármacos de manera sostenible

En un estudio reciente se señaló que el costo de traer un solo fármaco nuevo al mercado cuesta alrededor de 2.600 millones de dólares (DiMasi et al., 2016). El descubrimiento de fármacos de manera experimental conlleva muchas etapas que incluyen la identificación de la diana farmacológica —lugar del organismo donde un fármaco ejerce su acción—, validación de dicha diana, identificación del compuesto líder —núcleo químico con la mejor afinidad hacia la diana farmacológica—, optimización del compuesto líder, estudios preclínicos y clínicos (Figura 8). De estas etapas, la parte clínica involucra la mayor cantidad de dinero y tiempo, ya que implica la selección apropiada del modo de dosificación y la evaluación si el medicamento es seguro para uso en humanos. El proceso de desarrollo de nuevos fármacos es cada vez más desafiante, no solo por la sostenibilidad, sino también por los mayores requisitos para que el proceso sea más amigable con el medio ambiente. Este proceso tiene un tiempo aproximado de 15 años; sin embargo, con la implementación del Diseño Asistido por Computadora (Figura 8), se logra reducir a la mitad el tiempo y un tercio del costo total considerado para el desarrollo de nuevos fármacos, solo empleando métodos experimentales.

Figura 8. Tiempo requerido y costo por etapa para el desarrollo de una nueva entidad molecular comparado con la implementación de herramientas computacionales. Crédito: elaboración propia con información de Eli Lilly and Company en 2010 (Paul et al., 2010).

Dicho método se apoya en una serie de herramientas computacionales que permiten evaluar el potencial farmacológico de un nuevo compuesto (Figura 9), como el tamizaje virtual de las propiedades fisicoquímicas, farmacocinéticas (predicciones admet), la relación cuantitativa de estructura-actividad (Quantitative Structure-Activity Relationship, qsar) y el diseño racional de fármacos empleando acoplamiento molecular —método que predice la conformación preferida de una molécula al estar unida a otra, con el fin de formar un complejo estable— o docking (Meng et al., 2011).

Figura 9. Desarrollo de fármacos mediante métodos computacionales. La figura ilustra la serie de métodos para el desarrollo de fármacos empleando el diseño racional (Lipinsky, ADMET y Docking) y empleando modelos QSAR. Crédito: elaboración propia.

Las propiedades fisicoquímicas de los compuestos se evalúan principalmente mediante la Regla de Lipinsky, que evalúa las siguientes propiedades: peso molecular, donadores y aceptores de puentes de hidrógeno, lipofilicidad, superficie total polar y enlaces rotables. Mientras que las propiedades farmacocinéticas evalúan las propiedades admet y proporcionan información sobre el metabolismo del compuesto en el ser humano.

Los estudios qsar evalúan de forma cuantitativa las actividades biológicas de compuestos basados en la variación de sus características estructurales. Para este fin, emplean un modelo matemático que utiliza diferentes parámetros biológicos para especular sobre las actividades biológicas de las nuevas moléculas propuestas basadas en sus similitudes estructurales. En tanto que el diseño racional emplea información experimental de la diana farmacológica y bases químicas de compuestos (quimioteca) para predecir la afinidad.

Conclusión

En los últimos años, la química verde ha ganado mucho terreno en diferentes áreas, permitiendo optimizar las rutas de síntesis química y reducir la contaminación. No obstante, requiere apoyarse en otras ramas de conocimiento como la informática verde. Esta rama actualmente provee una serie de herramientas que permiten trazar rutas de síntesis y diseño de fármacos aplicando los principios de química verde, permitiendo un ahorro de recursos aún mayor que el alcanzado sin su apoyo.

Referencias

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• Anastas, P. T., y Warner, J. C. (2000). Green Chemistry: Theory and Practice. Oxford University Press, USA.
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• Derbenev, I. N., Dowden, J., Twycross, J., y Hirst, J. D. (2022). Software tools for green and sustainable chemistry. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, 35, 100623. https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2022.100623.
• DiMasi, J. A., Grabowski, H. G., y Hansen, R. W. (2016). Innovation in the pharmaceutical industry: New estimates of R&D costs. Journal of Health Economics, 47, 20-33. https://doi.org/10.1016/j.jhealeco.2016.01.012.
• Kanza, S., Bird, C., Niranjan, M., McNeill, W. E. S., y Frey, J. G. (2021). The AI for Scientific Discovery Network+. Patterns, 2(1), 100162. https://doi.org/10.1016/j.patter.2020.100162.
• Kanza, S., Willoughby, C., Gibbins, N., Whitby, R. J., Frey, J. G., Erjavec, J., Zupancić, K., Hren, M., y Kovač, K. (2017). Electronic lab notebooks: Can they replace paper? Journal of Cheminformatics, 9(1). https://doi.org/10.1186/s13321-017-0221-3.
• Lin, Y., Zhang, Z., Mahjour, B., Wang, D., Zhang, R., Shim, E., McGrath, A., Shen, Y., Brügger, N., Turnbull, R., Trice, S. L. J., Jasty, S., y Cernak, T. (2022). Author correction: Reinforcing the supply chain of umifenovir and other antiviral drugs with retrosynthetic software. Nature Communications, 13(1). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29041-w.
• Meng, X., Zhang, H., Mezei, M., y Cui, M. (2011). Molecular Docking: a powerful approach for Structure-Based drug discovery. Current Computer – Aided Drug Design, 7(2), 146-157. https://doi.org/10.2174/157340911795677602.
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• Trost, B. M. (1995). Atom Economy—A challenge for organic synthesis: Homogeneous catalysis leads the way. Angewandte Chemie International Edition, 34(3), 259-281. https://doi.org/10.1002/anie.199502591.

Recepción: 04/11/2022. Aceptación: 01/11/2023.

Resumen

Enfrentando el desafío de optimizar la recolección de basura en la colonia Rosarito, Los Cabos, México, utilizamos herramientas de la Teoría de Gráficas para modelar y resolver el problema. Construimos una gráfica que representa la disposición de calles y aplicamos el algoritmo de Fleury, modificado para minimizar vueltas en U. Al no contar con una gráfica euleriana, añadimos aristas para garantizar recorridos completos y utilizamos el algoritmo de Kruskal para obtener un árbol generador de peso mínimo. Los resultados revelan una ruta óptima con una distancia reducida de 0.695 km en comparación con la ruta actual, generando un ahorro anual significativo de aproximadamente 108.718 km. La propuesta elimina vueltas en U evitables, mejora la eficiencia en la recolección y presenta aplicaciones potenciales en otros contextos logísticos urbanos.
Palabras clave: teoría de gráficas, recolección de basura, logística urbana, gestión de residuos, gráfica euleriana.

How can we find the best garbage collection route?

Abstract

Facing the challenge of optimizing garbage collection in the Rosarito neighborhood, Los Cabos, Mexico, we utilized tools from Graph Theory to model and solve the problem. We constructed a graph representing the street layout and applied the Fleury algorithm, modified to minimize U-turns. Without a Eulerian graph, we added edges to ensure complete routes and employed the Kruskal algorithm to obtain a minimum-weight spanning tree. Results reveal an optimal route with a reduced distance of 0.695 km compared to the current route, leading to a significant annual savings of approximately 108,718 km. The proposal eliminates avoidable U-turns, enhances collection efficiency, and holds potential applications in other urban logistics contexts.
Keywords: graph theory, garbage collection, urban logistics, waste management, Eulerian graph.

El problema de recolección de basura

Imagina que eres chofer de un camión recolector de basura y debes recoger, casa por casa, la basura de una colonia. Te dan el mapa de la colonia. ¿Cómo realizarías el trayecto? ¿Serías capaz de encontrar una ruta que transite por todas las calles recorriendo la menor distancia posible? ¿Sabes que algunos algoritmos matemáticos podrían ayudarte a encontrar tal ruta?

El objetivo es que, además de pasar por todas las casas de todas las calles de una colonia, se logre hacerlo ahorrando tiempo, energía y costos de operación. Hay muchas maneras de abordar este problema; en este artículo, lo haremos usando las herramientas de un área muy útil de las Matemáticas: la Teoría de Gráficas.

Sabemos que es de vital importancia que las ciudades cuenten con un sistema de recolección eficaz para tener una ciudad libre de residuos sólidos. Estos son un problema porque podrían ocasionar enfermedades, proliferación de fauna nociva, malos olores y una vista desagradable que impactaría negativamente al turismo, así como a otras actividades económicas y recreativas.

Pensando en esto, nos abocamos a buscar una ruta óptima de recolección de basura en la colonia Rosarito del municipio de Los Cabos, Baja California Sur en México. Cuando decimos óptima, nos referimos a aquella ruta que efectivamente pase por todos los hogares de la colonia y que recorra la menor cantidad de kilómetros, para así ahorrar en combustible, en tiempo y en mantenimiento de la unidad recolectora.

En la siguiente sección presentamos los conceptos matemáticos que usaremos para modelar nuestra propuesta de solución.

Recogiendo la basura de manera eficiente

Como sabes, las Matemáticas son una de las más poderosas creaciones humanas. Nos han dado herramientas útiles para resolver una infinidad de problemas. Su versatilidad nos ha llevado desde el espacio exterior hasta el mundo microscópico. La Teoría de Gráficas ha sido una de las áreas más interesantes y versátiles para resolver problemas cotidianos como el de la recolección de basura. Nuestra propuesta de solución modela el problema usando gráficas y algoritmos.

Pero ¿qué es una gráfica? Aquí es necesario introducir algunas definiciones. Una gráfica es una colección de puntos (vértices) y líneas (aristas) que unen a parejas de ellos. Se coloca una arista cuando dos vértices están relacionados. Entonces, las gráficas sirven para representar relaciones entre objetos —o personas u otros elementos—. Por ejemplo, si hay un grupo de cinco personas, podemos representar a cada persona con un vértice y colocar una arista entre dos personas que tengan la misma edad (en años cumplidos). ¿Cómo quedaría la gráfica si las cinco personas tienen la misma edad? La Figura 1 muestra la gráfica que modela este ejemplo.

Figura 1. Gráfica que representa a 5 personas con la misma edad. Crédito: elaboración propia.

Así de fáciles son las gráficas. Siempre que haya una colección de objetos y una relación entre ellos, podemos dibujar una gráfica —en este ejemplo son personas, pero podrían ser cosas, empresas, escuelas o lo que se te ocurra—. Las gráficas pueden ser muy lindas e interesantes al mismo tiempo y por esto mucha gente se ha dedicado a estudiarlas, no solamente para resolver problemas cotidianos, sino además para entender sus propiedades (Chartrand et al., 1996).

Existen un sinfín de gráficas que modelan o que se construyen para estudiarlas. Un par de ejemplos son los mostrados en la Figura 2, que destacan por su belleza.

Figura 2. Otros ejemplos de gráficas. Crédito: elaboración propia.

Problemas de recorribilidad

La Teoría de Gráficas modela y resuelve, entre muchas situaciones, los problemas de recorribilidad, que son aquellos en los que hay que localizar rutas óptimas en una zona o región determinada. Lo que se hace es modelar la zona mediante una gráfica, buscar y construir el recorrido en la gráfica, para después realizarlo en la zona real. De hecho, esta área de las Matemáticas surgió precisamente al resolver uno de estos problemas.1

En la siguiente sección, explicaremos cómo usamos la Teoría de Gráficas para modelar y resolver el problema de recolección de basura en la colonia Rosarito en Los Cabos, Baja California Sur, México.

La propuesta

Iniciamos construyendo una gráfica a partir del mapa de la colonia. Representamos los cruces de las calles con vértices y pondremos una arista para representar la calle que une dos cruces. Esta gráfica, construida en una pequeña región, podemos apreciarla en la Figura 3.

Figura 3. Construcción de la gráfica a partir del mapa de la colonia. Crédito: elaboración propia.

Nuestro problema requiere recolectar la basura casa por casa, entonces habrá que pasar por cada calle de la colonia. Idealmente, se desea pasar solo una vez, pero cuando esto no sea posible, se repetirá el paso por alguna calle. Queremos hacer esto lo menos posible para no incrementar mucho la distancia total de la ruta. Como mencionamos, la Teoría de Gráficas aborda este tipo de problemas representándolos con gráficas y usando algoritmos para construir el recorrido sobre la gráfica. Posteriormente, se realiza en la zona real, en este caso, en la colonia Rosarito.

Recorrer una gráfica es como “caminar” en ella: iniciar en un vértice, seguir por alguna de sus aristas a otro vértice, luego seguir por otra arista a otro vértice, etcétera. A esta manera de caminar le podemos poner restricciones: por ejemplo, pasar por todos los vértices de la gráfica o pasar por todas las aristas. Si “caminamos” en una gráfica, pasando exactamente una vez por cada arista, iniciando y concluyendo en el mismo vértice, obtenemos lo que se conoce como un recorrido euleriano2, y si una gráfica posee un recorrido euleriano se le llama gráfica euleriana —si no lo tiene entonces no es euleriana—. Podemos ver un ejemplo de una gráfica euleriana en la Figura 4.

Figura 4. Gráfica euleriana. Un recorrido euleriano sería el siguiente: 0,1,2,4,1,5,7,6,5,0,2,3,0. Crédito: elaboración propia.

Entonces, una vez que construimos la gráfica de la colonia Rosarito, como dijimos antes: un vértice para cada uno de los cruces de las calles y una arista para las calles que unen dos de esos cruces, hubo que considerar algo muy importante: el sentido de las calles, porque no en todas se puede circular en los dos sentidos y un requisito es respetar las reglas de circulación.

Incorporando el sentido de las calles

Para considerar el sentido de las calles usamos flechas en las aristas. En la colonia Rosarito hay calles de un solo sentido, que representamos con una flecha en un extremo de la arista, y calles de dos sentidos representadas con flechas en ambos extremos. Esta configuración genera una digráfica, es decir, una gráfica en la que las aristas tienen dirección. Además, en la colonia también hay calles cerradas, esas en las que se entra y sale por el mismo extremo. Estas calles se deben considerar de doble sentido, dado que se entra usando un sentido y se sale usando el sentido contrario, recorriendo la misma calle. Esto implica realizar una maniobra riesgosa que llamaremos vuelta en “U”. Podemos clasificar a las vueltas en U en dos tipos diferentes: las inevitables y las evitables.

Vuelta en “U” inevitable: Se dan en las calles cerradas —sin salida— porque el camión debe entrar y salir por el mismo extremo de la calle. En la Figura 5, se muestra una calle así, es útil para entender lo complicado y peligroso de la maniobra de salida: si no hay espacio para dar vuelta al camión, el chofer sale en reversa. Ambas alternativas son riesgosas.

Figura 5. Calle cerrada en la colonia Rosarito. Crédito: elaboración propia.

Vuelta en “U” evitable: Ocurren cuando el chofer voltea el camión en una calle que no es cerrada para ahorrar tiempo o tráfico, o para ya no pasar por calles en las que ya se recolectó la basura. En el recorrido actual el chofer realiza siempre al menos una vuelta en “U” evitable. Como dijimos, con un vehículo tan grande, esta maniobra es riesgosa pues podría golpear algún auto estacionado o bloquear momentáneamente el tránsito vehicular o peatonal. La mejor ruta tendría que funcionar sin que haya necesidad de realizar este tipo de prácticas, idealmente tendríamos que eliminar todas las vueltas en “U” evitables.

Con estas consideraciones en mente, representamos la colonia Rosarito con una digráfica. Siguiendo el proceso que explicamos, asignamos vértices para cada uno de los cruces entre dos calles, aristas entre parejas de vértices que representen dos cruces unidos por una calle y flechas para indicar el(los) sentido(s) de cada calle. Las calles cerradas —que generan vueltas en “U” inevitables— se ven como una arista con flechas en sus dos extremos y que de uno de sus vértices no salen más flechas. La Figura 6 muestra la digráfica de la colonia. Por ejemplo, la arista que une a los vértices 1 y 2 representa una calle cerrada.

Figura 6. Digráfica que representa la colonia Rosarito. Crédito: elaboración propia.

En el caso de la gráfica de la colonia Rosarito, un recorrido euleriano representa, se vería como una ruta que pasa por cada calle una sola vez e inicia y termina en el mismo sitio. Como nosotros queremos iniciar en el almacén de las unidades recolectoras y concluir en el tiradero municipal, buscamos una trayectoria euleriana, que es como un recorrido euleriano al que se le elimina una arista. Entonces busquemos tal trayectoria.

La Teoría de Gráficas en acción

Un resultado ampliamente reconocido en la Teoría de Gráficas establece que una gráfica es euleriana si, y solo si, cada vértice está conectado por una cantidad par de aristas (Chartrand et al., 1996, 92-102). Para hallar un recorrido euleriano en una gráfica euleriana, recurrimos al algoritmo de Fleury (Fleury, 1883), presentado por el matemático francés M. Fleury en su artículo Deux problèmes de géométrie de situation en 1883. Este algoritmo encuentra un recorrido euleriano en una gráfica en la que cada vértice está unido por una cantidad par de aristas, como se ilustra en la Figura 4. ¿Podemos aplicar este algoritmo a la gráfica de la colonia Rosarito?

Al observar la Figura 6, queda claro que la gráfica no es euleriana, ya que no todos sus vértices tienen una cantidad par de aristas incidentes. Por ende, no posee un recorrido euleriano. Sin embargo, el camión recolector debe transitar por todas las calles para completar la recolección de basura. Para lograrlo, será necesario recorrer varias calles en múltiples ocasiones.

En el contexto de una gráfica, esto se representa mediante aristas múltiples, es decir, la colocación de más de una arista entre la misma pareja de vértices. Para resolver nuestro problema, añadiremos aristas nuevas para obtener una gráfica con aristas múltiples. De esta manera, garantizaremos que cada vértice tenga una cantidad par de aristas incidentes, asegurando la existencia de un recorrido euleriano. Estas aristas adicionales representarán las calles por las cuales el camión de basura pasará más de una vez. Observemos, por ejemplo, la Figura 7, en la que se agregaron dos aristas a una gráfica no euleriana, marcadas en rojo, para asegurar que todos los vértices tengan una cantidad par de aristas incidentes y así obtener una gráfica euleriana.

Figura 7. Adición de aristas para obtener una gráfica euleriana. Crédito: elaboración propia.

El algoritmo de Fleury no impone restricciones para eliminar las vueltas en “U” evitables. Por ejemplo, en la Figura 7 (b), el algoritmo podría seleccionar la arista negra que conecta los vértices 1 y 5, y luego, inmediatamente, la arista roja que también une los mismos vértices. En la práctica, esto implicaría que el camión recolector recorre una calle y luego la recorre en sentido contrario, realizando así una vuelta en “U” inevitable. Con el objetivo de eliminar o minimizar estas vueltas, proponemos la siguiente modificación al algoritmo de Fleury : “Si entre dos vértices u y v existen aristas múltiples, al elegir la arista de u a v, no se puede seleccionar inmediatamente la arista de v a u, a menos que no haya otra manera de regresar a u”.

En la ruta óptima, habrá calles por las que se deba transitar más de una vez, ya que la gráfica no es euleriana —como ya hemos establecido, no todos los vértices tienen una cantidad par de aristas incidentes—. Por lo tanto, se debe seleccionar cuidadosamente por cuáles calles pasar más de una vez, eligiendo aquellas que agreguen la menor distancia posible.

Para abordar esta consideración, incorporamos un dato adicional en nuestro modelo de la colonia: asignamos un número a cada arista para indicar la distancia en metros de la calle que representa. Así, obtuvimos una digráfica en la que cada arista tiene un número, como se muestra en la Figura 8.

Figura 8. Digráfica de la colonia Rosarito con distancias incluidas. Crédito: elaboración propia.

Al elegir las aristas que se deben duplicar, es fundamental seleccionar aquellas que no añadan demasiada distancia a la ruta. Para lograr esto, utilizamos lo que se conoce como árbol generador de peso mínimo en una gráfica (Cormen et al., 2022, 631-642). En una gráfica, un árbol generador es una subgráfica que contiene todos los vértices de la gráfica y garantiza que entre cualquier par de vértices haya un único camino formado únicamente por aristas de ese árbol. Si, además, la gráfica tiene aristas con valores asignados (como la nuestra), llamamos árbol generador de peso mínimo a aquel cuya suma de los valores de sus aristas es la menor posible entre todos los árboles generadores de esa gráfica.

Para obtener un árbol generador de peso mínimo en nuestra gráfica, emplearemos el algoritmo de Kruskal, propuesto por el matemático estadounidense Joseph Bernard Kruskal Jr. Este algoritmo construye el árbol deseado seleccionando, entre todas las aristas de la gráfica, aquella con el menor valor asignado. Luego, elige otra de entre las aristas restantes con el menor valor, y así sucesivamente, hasta formar el árbol deseado (Kruskal, 1956). En la Figura 9, se muestra un ejemplo de árbol generador de peso mínimo, compuesto por las aristas de color rojo.

Figura 9. Árbol generador de peso mínimo obtenido con el algoritmo de Kruskal. Crédito: elaboración propia.

Es importante destacar que entre cualquier par de vértices existe un único camino formado únicamente por las aristas rojas. Además, aunque más difícil de verificar, es cierto que este es el árbol generador en el que la suma de los valores de las aristas es mínima. Por ejemplo, la arista entre los vértices 1 y 3, que tiene un valor de cinco unidades, no pertenece al árbol, ya que es posible llegar del vértice 1 al 3 usando dos aristas: la que va del 1 al 0 y la que va del 0 al 3. La suma de esos valores es tres, que es menor que el valor de la arista entre 1 y 3.

Las aristas de un árbol generador de peso mínimo en nuestra gráfica son aquellas de las que elegimos duplicar, ya que, al tener los valores más pequeños, representan calles más cortas. Si el camión recolector pasa más de una vez por ellas, no se incrementa tanto la distancia, logrando así optimizar nuestra ruta.

Conclusiones

Tras aplicar los algoritmos mencionados, obtuvimos una ruta con una distancia total de 10.972 km, en comparación con los 11.677 km de la ruta actual. Esto implica una mejora de 0.695 km, es decir, 695 metros. Esta reducción se traduce en un ahorro semanal de 2.085 kilómetros, considerando que la ruta se realiza tres veces a la semana. Por tanto, el ahorro anual al sustituir la ruta actual por esta nueva sería de aproximadamente 108.718 kilómetros. La Figura 10 es una animación (un gif) que muestra la ruta óptima obtenida en la digráfica que representa a la colonia Rosarito.

Cuando una arista cambia a color rojo, significa que el camión recolector de basura debe pasar por la calle que esa arista representa. Si la arista cambia a color amarillo, el camión debe pasar una segunda vez, y si cambia a color negro, entonces deberá recorrerla tres veces.

Figura 10. La ruta completa del camión recolector en la colonia Rosarito. Crédito: elaboración propia.

En la ruta que proponemos, no existen vueltas en “U” evitables, logrando que, además de ser más corta, sea más segura. Esta estrategia podría replicarse en otras colonias y sistemas de recolección que cumplan con las características de este problema, mejorando así las rutas de recolección de basura en otras zonas del país.

Referencias

• Chartrand, G., Lesniak, L., y Zhang, P. (2010). Graphs & Digraphs. En Chapman and Hall/CRC eBooks. https://doi.org/10.1201/b14892.
• Cormen, T. H., Leiserson, C. E., Rivest, R. L., & Stein, C. (2009). Introduction to Algorithms, third edition. mit Press. https://pd.daffodilvarsity.edu.bd/course/material/book-430/pdf_content.
• Kruskal, J. B. (1956). On the shortest spanning subtree of a graph and the traveling salesman problem. Proceedings of the American Mathematical society, 7(1), 48-50. http://5010.mathed.usu.edu/Fall2018/THigham/Krukskal.pdf.
• Martínez Cano, O. (2021). Uso de la Teoría de Gráficas para optimizar la ruta de recolección de basura en la colonia Rosarito del municipio de Los Cabos. [Tesis de licenciatura, en proceso de publicación]. Universidad Abierta y a Distancia de México, unadm.
• Wikipedia. (2021, 4 de diciembres). Discusión: problema de los puentes de Königsberg. https://goo.su/YCUxsd.

Recepción: 15/12/2022. Aceptación: 01/11/2023.