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Luisa AchaerandioIgnacio CrespoJuan Carlos GilJosé EdelsteinFrancis VillatoroHéctor SocasGastón Giribetpuente de hidrógeno en aguaácido fosfórico moléculas oxígeno e hidrógenored enlaces de hidrógeno del aguamecanismo molecular ácido fosfóricoJuan Carlos GilH3O+estructura AATPAdenosine trifosfatoADPAdenosine difosfatoH3PO4ChompsADNARNFósforoÁcidos NucleicosMembranas CelularesHéctor SocasH2PO4-HPO4--PO4-Star TrekLHCYouTubeÁcido fosfóricoNano-electro-sprayDímerosIonesFase gasTemperatura criogénicaconformación ALeipzigInstitutoestructura B
Mecanismo molecular Ácido fosfórico
Con
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Juan Carlos Gil explica cómo el transporte de protones por ácido fosfórico se asemeja a la transferencia de protones en moléculas de agua, describiendo un proceso que involucra puentes de hidrógeno.
…en relación con el agua, que le pasa lo mismo. Una molécula de H2O recibe un protón y se convierte momentáneamente en cationhidronio, H3O+. El hidronio no es estable y por tanto cedes el protón extra a otra molécula de agua de al lado mediante un... ¿A través de qué? A través de un puente de hidrógeno. Esa es la gracia y eso va a ser parte de lo que os cuento. De tal forma que el siguiente agua se transforma en hidróneo y así sucesivamente. Bueno, pues al ácido fosfórico le tiene que pasar algo parecido, pero el mecanismo molecular preciso de este proceso está muchísimo peor entendido que en el agua, en parte porque si ya la red de enlaces de hidrógeno del agua es tremendamente compleja y además dinámica, pues imaginaos en el ácido fosfórico en el que tenemos cuatro oxígenos y tres hidrógenos por molécula. Aquello es una fiesta, no solo eso, hay una vuelta de tuerca más y Es que además de transportar protones también podemos imaginarnos lo contrario. Se puede transmitir un protón de menos, un hueco, un defecto protónico, que Francis nos lo ha contado mil veces en los sólidos; el defecto de un electrón por ejemplo. Bueno, pues…
Significado #1 · Palabras #2
Juan Carlos Gil explica cómo el ATP y ADP funcionan como monedas de cambio energético en la célula, y menciona la fosforilación de proteínas como un mecanismo regulador celular. Además, identifica al ácido fosfórico (H3PO4) como la molécula madre de estas variaciones.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #7 · Palabras #5fósforo en ácidos nucleicosgrupos fosfato en adn arnfosfolípidos en membranas celularestesis de juan carlos gilatp adp monedas de cambio celularfosforilación proteínas regulación celularácido fosfórico molécula madre h3po4ácido fosfórico h3po4eliminación de protones químicoscation hidrógeno hautopista de protones químicadihidrógeno fosfato h2po4 menosácido fosfórico en química prebióticaconducción de protones ácido fosfóricotransferencia de energía atp adpgradientes electroquímicos membrana celularácido fosfórico y gradientes electroquímicosmotor de sodio star trekcanales de sodio membranas celularesbiología a nivel moléculatransporte de protones ácido fosfóricocubos de agua en filasímil personas cubo agua…blanco, que es el que sufre la emisión, o sea que eso está chulo. Una anécdota irrelevante: en Canarias se sigue llamando fósforos a las cerillas y supongo que en América también, en algunos sitios, porque tenemos muchas variaciones en el idioma español. Pero El fósforo no es solo cerillas, sino que es uno de los seis elementos esenciales de la vida, ¿no? ¿Os acordáis? Chomps, ahí está la P en la quinta o sexta posición y en la vida aparece en general fundamentalmente en forma de grupos fosfato, donde en los esqueletos de los ácidos nucleicos, tanto ADN como ARN, cuyos grupos fosfato en disolución, que es como suele actuar obviamente los ácidos nucleicos, están ionizados y eso hace que las moléculas de ácido nucleico en vivo sean polielectrolitos. Y he hecho esta frase tan larga porque es lo que estudié yo en la tesis y me lo sé y lo quiero decir. Son polielectrolitos, moléculas gigantes que están ultracargadas. Tenemos los fosfolípidos, claro, en las membranas celulares que llevan ahí el fósfo en el nombre por el fósforo. el ATP, adenosine trifosfato, es la moneda de cambio energético, una de las monedas de cambio energético en la célula y el ADP, el adenosine difosfato y bueno luego está la fosforilación de proteínas que es uno de los varios pero uno de los grandes mecanismos de regulación celular. y si queréis el papá químico, la molécula madre, tanto papá como mamá de todas estas variaciones, bueno pues es el ácido fosfórico, es el H3PO4. H3PO4 tiene ahí tres hidrógenos y resulta que se los podemos ir quitando químicamente uno a uno, lo cual se le quitamos un protón, protón es H+, es el cation hidrógeno. Me ha hecho gracia porque antes Héctor te has referido al HLC como, no sé si ha dicho exactamente, una autopista de protones. Yo habilar yo de otra autopista de protones, en este caso química. Bueno, si al ácido fosfórico le quitas un protón se queda dihidrógeno fosfato, H2PO4 menos. Si le quitas otro, hidrógeno fosfato, HPO4 con dos cargas negativas. y hasta un tercero, si le enfrentas a cosas suficientemente electropositivas, pues se te quedaría el fosfato, PO4-. El ácido fosfórico aparece en química prebiótica, tiene importancia en procesos atmosféricos y además tiene aplicaciones tecnológicas en baterías y en pilas de combustible precisamente asociado a lo que os voy a contar. Y es que tiene una propiedad muy llamativa, ya te os digo que está relacionada con la historia de hoy, y es que conduce protones excepcionalmente bien, de hecho es el líquido que mejor conduce protones de entre todos los que conocemos y esto de mover protones no es una chorrada sin más, es que es fundamental para la vida. Se utiliza la comunicación celular en transferencia de energía, se hablaba de ATP y ADP y para el mantenimiento de los gradientes electroquímicos a ambos lados de la membrana, lo que suele atravesar los... Sabéis que hay canales de sodio, canales de potasio, todo eso, el motor de eso es la transferencia de protones. ¿Cómo demonios, el ácido fosfórico conviene? Es verdad, tú has mencionado el aniversario del LHC, pero esto suena al de Star Trek, que si el motor de sodio y el motor de no sé qué se basan en la transferencia de protones, o sea, eso puede ser perfectamente una frase de Star Trek, totalmente. Y sin embargo es de biología semibásica; es que la biología es muy chula y muy difícil y hace cosas a nivel molécula. Bueno pues es tremebundo, ¿no has visto nunca los motores de, bueno los canales de sodio en las membranas? Echar un vistazo a un dibujo o a un vídeo de YouTube un día, porque es alucinante lo que hacen las pequeñas maquinitas que tenemos ahí en nuestras células. ¿Cuál es el mecanismo entonces? ¿Cómo consigue el ácido fosfórico mover protones también? Os voy a contar un símil. Imaginad una fila de personas con un cubo de agua cada una, ¿vale? Y ahora el primero de la fila le llega otro cubo, con lo cual uno de los dos cubos que tiene ahora se lo pasa al siguiente de la fila y así sucesivamente. Pues parecería que el cubo ese extra que ha llegado atraviesa toda la fila y sale por el final, pero no es así; cada cubo solo se desplaza una posición, lo que se transmite a lo largo de la fila es el exceso de cubo, ese momento transitorio en el que una de…
Juan Carlos Gil explica cómo el transporte de protones por ácido fosfórico se asemeja a la transferencia de protones en moléculas de agua, describiendo un proceso que involucra puentes de hidrógeno.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #1 · Palabras #2puente de hidrógeno en aguaácido fosfórico moléculas oxígeno e hidrógenored enlaces de hidrógeno del aguamecanismo molecular ácido fosfórico…en relación con el agua, que le pasa lo mismo. Una molécula de H2O recibe un protón y se convierte momentáneamente en cationhidronio, H3O+. El hidronio no es estable y por tanto cedes el protón extra a otra molécula de agua de al lado mediante un... ¿A través de qué? A través de un puente de hidrógeno. Esa es la gracia y eso va a ser parte de lo que os cuento. De tal forma que el siguiente agua se transforma en hidróneo y así sucesivamente. Bueno, pues al ácido fosfórico le tiene que pasar algo parecido, pero el mecanismo molecular preciso de este proceso está muchísimo peor entendido que en el agua, en parte porque si ya la red de enlaces de hidrógeno del agua es tremendamente compleja y además dinámica, pues imaginaos en el ácido fosfórico en el que tenemos cuatro oxígenos y tres hidrógenos por molécula. Aquello es una fiesta, no solo eso, hay una vuelta de tuerca más y Es que además de transportar protones también podemos imaginarnos lo contrario. Se puede transmitir un protón de menos, un hueco, un defecto protónico, que Francis nos lo ha contado mil veces en los sólidos; el defecto de un electrón por ejemplo. Bueno, pues…
Juan Carlos Gil explica cómo el ácido fosfórico y el dihidrógeno fosfato actúan como ácido y base conjugada en un mecanismo de transferencia de protones.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #3 · Palabras #1ácido fosfórico transferencia de protonesanión especie desprotonada químicaaniones inusuales hidrógeno fosfatofosfato mecanismo transferencia aniónicotransporte de protones ácido fosfóricodihidrógeno fosfato mecanismo transferenciaácido fosfórico y dihidrógeno fosfatotransferencia de protones mecanismo aniónicomoléculas intercambian su identidadjuan carlos gil explica transferenciaácido fosfórico en bateríaspilas de combustible permiten protonesmecanismo detallado para optimizarestabilidad del compuesto fósforomolécula tetraédrica p4fósforo estabilizado por oxígenoácido fosfórico aditivo alimentariocontrol de ph con ácido fosfórico…le llega un cubo por fin, pasa de tener 0 a 1, pero la persona que tenía delante se ha quedado con 0. Es decir, lo que se transmite ahora es la ausencia de cubo que se mueve; esta ausencia, este hueco de cubo se mueve en sentido contrario al de los cubos. Pues de nuevo, en el ácido fosfórico puede ocurrir algo parecido y el hueco ahora sería la especie desprotonada, que en química llamamos anión, ¿vale? Y este mecanismo de transferencia de protones aniónico podría ser especialmente relevante en el ácido fosfórico porque, como os he contado, tiene una capacidad de producir distintos aniones inusitadas de hidrógeno fosfato, hidrógeno fosfato, hasta llegar al fosfato. Esto ya lo apuntaba un trabajo previo en el que Achacaba, o que hacía que ponía la pistola humeante en las manos del hidrógeno fosfato. Se cree que puede ser responsable de este mecanismo. Bueno, pues también se propuso, estoy intentando dar unas pinceladas a los antecedentes del trabajo que os voy a comentar, que no solo eso, no solo el dihidrógeno fosfato, sino que podría intervenir en este mecanismo de transferencia de protones en el fosfórico y amigos relacionados, un dímero, un dímero formado por una molécula completa de fosfórico y una molécula al. que le falta un protón, un dihidrógeno fosfato que para los que tengan sensibilidad química os podéis, llama la atención que son el ácido y la base conjugada, o sea son de un solo compuesto el ácido y su base conjugada se alinearían, se asociarían para hacer un mecanismo de transferencia de protones de tal forma que cuando esa transferencia tenga lugar ocurre algo bastante simpático y es que el ácido fosfórico se convierte en dihidrógeno fosfato y el dihidrógeno fosfato se convierte en fosfórico. Es decir, las moléculas intercambian su identidad. El defecto de protón pasa de una molécula a la otra, de una especie química a la otra. y esto que se conta así un poco a mata caballo, bueno pues al menos sobre el papel, al menos tal como lo he descrito yo, pues parece el mecanismo perfecto, el mecanismo paradigmático para una posible vía de transferencia de protones mediante un mecanismo aniónico, ¿vale? Y es aquí. Eso tendría interés, por ejemplo, en baterías ¿no? Pero completo. O sea, no entendemos el mecanismo, pero usamos fosfórico a saco porque en baterías y en pilas de combustible, pues porque trazo, permite protones muy bien. Pero claro, para optimizarlas nos gustaría saber el mecanismo detallado y en eso incide este arte. Pero es suficientemente estable ese compuesto, que me preocupa, tú empezabas diciendo el fósforo, pues precisamente que es muy inflamable ¿no? Pero eso es química, Héctor, a veces haces ese tipo De cosas, una cosa es el P4, cuatro átomos de fósforo formando una molécula tetraédrica con unas tensiones en los enlaces internos espectaculares y otra es el fosfórico, en el que el fósforo tiene ese número de oxidación 7 y está perfectamente contento con todos sus orbitales rellenos por electrones que le sobran a los oxígenos. En química cambias un poquito y te resulta otra cosa radicalmente distinta. El ácido fosfórico es perfectamente sano; de hecho, creo que se utiliza, aquí lo digo con boca pequeña, luego lo busco, se utiliza como aditivo alimentario. No sé lo que hace; supongo que formará un tampón para control de pH, pero esto me lo acabo de inventar y no estoy seguro. El trabajo del que os quiero hablar se llama Espectroscopía vibracional criogénica del dímero desprotonado del ácido fosfórico. Bueno, ya suenan todas las palabras porque creo que las he mencionado la mayoría. Se ha publicado en adierto en The Journal of…
Juan Carlos Gil retoma la explicación sobre un trabajo científico relacionado con el transporte de protones en ácido fosfórico. Introduce la pregunta científica clave que los autores intentaron responder: cuál es el mecanismo detallado a escala molecular para este transporte eficiente.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #11 · Palabras #4transporte de protones ácido fosfóricomecanismo detallado molecularsistema representativo químico físicosdímero ácido fosfórico dihidrógeno fosfatosimplificación del transporte de protonesquímica cuántica en ácido fosfóricoproblema intratable manejable…va a tocar cierto trabajo de edición. Pues sí, esto es una faena. Cuando me digas, sigo. Vale, yo donde noté un corte es cuando estabas haciendo la broma de que América no está en Berlín y más o menos por ahí me caí yo. No sé si tienes claro por dónde seguir. Vale, pues repito en particular la pregunta científica que me gusta que quede explícita. Vale, pues dale cuando quieras. Y la pregunta científica que querían responder estos autores, que me gusta explicitarla, es: cuál sería el mecanismo detallado a escala molecular que permite este transporte de protones tan eficiente en el ácido fosfórico. Pero estudiar el ácido fosfórico, ya os he comentado que si ya el agua es una fiesta, pues el H3PO4 no te quiero contar, así que hacen algo muy de químico-físicos, bueno y también de físicos en general, que es buscar el sistema representativo más pequeñito y más fácil de estudiar, que sea eso representativo del todo en alguna forma, ¿vale? Reducimos el problema a la cosa representativa más pequeña y lo que han hecho en este caso es centrarse en el sospechoso de la pistola humeante que os comentaba antes, ese dímero ácido fosfórico de hidrógeno fosfato. Así que, primer gotcha, la simplificación va a ser enorme, porque no estamos estudiando el líquido, el ácido fosfórico completo, sino dos moléculas aisladas, pero a cambio convierte un problema intratable en uno manejable, tanto experimentalmente como mediante cálculos de química cuántica, que os comentaré luego. Si queremos saber cómo pasa un protón de una moleculita a Otra, lo primero que tenemos que tener cierta idea es cómo es esa estructura de puentes de hidrógeno y aquí tenemos una, la primera, dificultad práctica bastante gorda porque todos sabéis mogollón de estudios de espectroscopía en gas de moléculas que tienen…
Juan Carlos Gil explica las dificultades experimentales para estudiar el ácido fosfórico y sus compuestos en fase gaseosa debido a su tendencia a descomponerse al calentarse.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #12 · Palabras #17ácido fosfórico difícil en fase gasdescomposición del ácido fosfórico al calentarsenano-electro-spray para estudiar fosfóricosdímetros y iones en nano gotitas…la primera, dificultad práctica bastante gorda porque todos sabéis mogollón de estudios de espectroscopía en gas de moléculas que tienen carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, las más habituales, pero seguro que de fósforo habéis oído hablar pocas ¿Y por ¿Qué? Pues porque el fosfórico y sus relacionados es bastante puñetero experimentalmente en fase gas, porque en cuanto intentas vaporizarlo calentándolo se descompone en estos amigos que os contaba antes y en otros, ¿vale? Así que los autores recorren una técnica bastante simpática que se llama nano-electro-spray; lo que hacen es partir de ácido fosfórico líquido y generan nano gotitas minúsculas cargadas que llevan dentro estos dímeros, en parte iones, y se los llevan a fase gas. Gotitas minúsculas cargadas. No sé si os trae algo a la mente, pero a mí. enseguida me acordé del experimento de Millikan ¿os acordáis? Es que cuando yo lo vi de pequeño, es fascinante cómo producía gotitas de aceite y claro en una había un electrón, en otra 17, en otra 43.000 electrones y viendo el campo magnético, creo que era…
Juan Carlos Gil explica la naturaleza indirecta de las técnicas espectroscópicas utilizadas para estudiar complejos de ácido fosfórico, señalando que no miden directamente la luz absorbida.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #11espectroscopía fotodisociación infrarrojacomplejos ácido fosfórico leipzigetiqueta de deuterio d2trampa a 13 kelvinespectroscopías de acción miden vibracionesmoléculas dispersas impiden medición directaevaporación helio detecta bandas vibratoriassustitución hidrógenos por deuterio ácido fosfórico…es cuando lo irradian con infrarrojo y detectan indirectamente cuando los complejos de ácido fosfórico absorben porque el helio se evapora; o sea, que ello se pone a vibrar, el helio se evapora y entonces están barriendo en frecuencia. Aquí ha ocurrido algo. Mientras que en el otro instituto, en Leipzig, utilizan otra técnica que se llama espectroscopía de fotodisociación infrarroja con etiqueta de deuterio. En este caso en una trampa a 13 Kelvin y lo que hacen es, otra cosa súper sofisticada, y es que asocian de forma débil, de forma Van der Waals, una molécula de deuterio D2 al aldímero este de fosfórico de hidrógeno fosfato y esta molécula pegadita va a actuar como mensajero, va a actuar como chivato, de tal forma que cuando el complejo absorba el fotón infrarrojo y se ponga a vibrar, pues va a liberar, va a pegar una coz a la moleculita de deuterio y ese desprendimiento es lo que va a generar la señal en los detectores. Estas dos técnicas, por tanto, en rigor, son espectroscopías de acción, porque no medimos directamente la luz absorbida, estamos hablando de poquísimas moléculas dispersas, no daría para medir la variación en la intensidad de la luz absorbida, ¿vale? sino que detectamos las bandas de vibración mediante estos métodos indirectos, la evaporación del helio o el release, la suelta de las moléculas de deuterio, dedos. Más aún, en cada uno de los dos montajes lo van a hacer con las moléculas normales, dimeronormal, y también con su versión deuterada, que no tiene nada que ver con los D2 de antes, sino que sustituyen los hidrógenos del ácido fosfórico por deuterio. ¿Para qué? Porque aunque químicamente la situación va a cambiar muy poquito, el cambio de un hidrógeno por un deuterio químicamente es difícil de caracterizar; sin embargo, la masa del deuterio es el doble que la del hidrógeno, tiene un neutrón más y, por tanto, las…
Juan Carlos Gil describe las conformaciones A y B del ácido fosfórico y el dihidrógeno fosfato, explicando que están conectadas por tres puentes de hidrógeno organizados de forma distinta.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #13 · Palabras #13puentes de hidrógeno ácido fosfóricomoléculas conectadas por puentes de hidrógeno…métodos cuánticos semiempíricos; y encuentran dos familias de baja energía que llaman A y B. Cada familia a su vez tiene varios conformeros semejantes y los llaman A1, B1. Yo voy a hablar todo el rato de A y B para simplificar un poquito la exposición. En ambas conformaciones, A y B, el ácido fosfórico y el dihidrógeno fosfato están conectados por tres puentes de hidrógeno, pero organizados de forma distinta. Lo voy a representar con las manos y lo relato para el podcast, es sencillito; voy a empezar por el B. Estos son mis tres posibles puentes de hidrógeno: pulgar, índice y corazón, se enfrentan a los mismos dedos de la otra malón, de la otra molécula. Esta es la conformación. B, muy sencillo, tres enlaces de hidrógeno, tres contactos, tres receptores Sin embargo, en la conformación A Parece un sumo sacerdote de la secta del no sé qué que está, o sea, que imagina en un bajo oyente que Juan Carlos está juntando así los deditos de…
Juan Carlos Gil explica que los cálculos de química cuántica realizados para analizar la conformación A del fosfato revelan que la transferencia de un protón a dihidrogenofosfato no es favorable debido al aumento continuo de energía.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #15química cuántica conformación a fosfatotransferencia protón dihidrogenofosfato energíaestructura b puente energéticoestructura b del fosfatotransferencia de protones identidadbarrera kilojulios por molenergía de punto cero transferenciaconformación b del ácido fosfóricotransferencia de protones en ácido fosfóricodatos del universo rhométodos cuánticos para espectro conformacional…ver es cuál de estas dos combinaciones de dedos facilitaría esta transferencia de protones a través de los puentes de hidrógeno. En la conformación A tenemos todos los puentes de hidrógeno iguales, parecería que cualquiera podría hacer saltar un protón para Transformar el fosfato en dihidrogenofosfato, pero cuando se hacen los cálculos, de nuevo, con química cuántica, resulta que a lo largo de este proceso de transferencia de una especie a la siguiente, la energía sube continuamente; no aparece ningún estado estable al lado del puente. O sea que parece que esta transferencia directa no sería favorable. La estructura B, en cambio, hay dos protones que pueden transferirse y cuando lo hace ocurre exactamente el mecanismo que os comentábamos al principio de intercambio de identidades, de tal forma que el defecto protónico pasa de una especie a otra. y además la barrera que calculan es pequeñita, es de solo kilojulios, 6 kilojulios por mol, que incluso puede llegar a ser inferior a la energía de punto cero de la transferencia de ese movimiento preciso. Por lo tanto, si estamos buscando la autopista de protones en el ácido fosfórico, desde luego esta conformación B parece ser la más sugerente. Venga, ya tenemos lo que dice el experimento, datos del universo rho, si queréis, y lo que dice la cuántica Vamos a ver, por tanto, que dice, cómo podemos que la cuántica nos diga que nos debería salir en el experimento Vamos a calcular el espectro de las conformaciones A y B mediante los métodos cuánticos Eso es la figura 5 del artículo a la izquierda tenemos el dímero normal, a la derecha tenemos el deuterado y de arriba a abajo tenemos las tres cosas: las tres etapas. Arriba el experimento, que es lo que dice el universo; en medio la estructura A y abajo la estructura B. Por…
Juan Carlos Gil reflexiona sobre la estructura A del ácido fosfórico, describiéndola como rara y peculiar debido a la convergencia de dos puentes de hidrógeno sobre el mismo oxígeno receptor.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #2 · Palabras #18estructura a del ácido fosfóricopuentes de hidrógeno sobre oxígeno receptorfosfatos y estructura aquímica del ácido fosfóricodímero aislado en fase gasconductividad del ácido fosfóricomecanismo de la extraordinaria conducción…Así que los autores proponen este sistema como un benchmark, benchmark bastante exigente para posibles nuevos métodos de química cuántica. Si consigues identificar que el que aparece en la naturaleza es el que de verdad aparece, pues tu método será bueno. La segunda es una reflexión química y es que la estructura A es esta: rarísima, bastante peculiar, en la que dos puentes de hidrógeno convergen sobre el mismo oxígeno receptor. Bueno, pues resulta que esta había indicios de que aparecía en otros sistemas relacionados con los fosfatos, así que los autores sugieren que podría ser una estructura relativamente común o recurrente en la química del ácido fosfórico. Y la tercera, quería volver de nuevo a Poner un punto de pausa sobre el alcance del resultado, porque hemos estudiado el dímero aislado en fase gas y a temperatura criogénica, o sea, le hemos aislado hasta el extremo y por tanto no estamos explicando para nada el mecanismo de la extraordinaria conducción del ácido fosfórico si hemos identificado una posible pieza de forma muy plausible. La forma de continuar es evidente; hay que estudiar agregados desprotonados mayores, añadir más moléculas, más capacidad de cálculo. ¿Quién sabe si la IA va a resolver esto? Y bueno, aunque no hemos identificado la autopista de protones, sí que tenemos una…