Algunos comentarios acerca del Premio Nobel de Química de 2013

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Los químicos teóricos y computacionales estarán de celebración estos días debido a la concesión del Premio Nobel de Química hace poco más de una semana. No es habitual que en una ciencia que mayoritariamente se considera experimental se conceda el galardón a avances en el campo de la teoría y la computación.

Pero los Nobel se conceden sobre todo teniendo en cuenta el impacto en la sociedad, y en este caso sí que es totalmente legítimo que Martin Karplus, Michael Levitt y Arieh Warshel se hayan llevado el premio por una contribución que ya lleva tiempo mejorando nuestras vidas: desde poco después de la Segunda Guerra Mundial, con los primeros ordenadores y el auge de la mecánica cuántica se empiezan a simular sistemas físicos y químicos.

La problemática reside en que el mecanismo mediante el cual actúan unas determinadas moléculas a la hora de reaccionar difícilmente puede ser determinado exclusivamente mediante técnicas experimentales. Esta afirmación es especialmente importante en el caso de reacciones biológicas, donde intervienen biomoléculas compuestas por centenares, sino miles, de átomos.

computer_electronic_densityRealizar una simulación por ordenador puede darnos información muy valiosa acerca de la evolución del sistema químico a lo largo de la reacción. El problema es que no es posible modelizar todo el sistema mediante la mecánica cuántica debido a que los grados de libertad crecen exponencialmente y el coste computacional se torna inasumible incluso con la tecnología actual. Sin embargo, los cálculos mecánico-cuánticos son los únicos que nos pueden proporcionar información fiable acerca de la energía del sistema y de su evolución.

Podemos usar, en su lugar, usar física clásica o newtoniana para modelizar nuestro sistema químico. Sin duda es muy poco costosa a nivel computacional, pero también es muy limitada. Básicamente considera los átomos bolas rígidas afectadas por un potencial que podríamos imaginar como muelles que unen los diferentes átomos. Este tipo de simulación puede ser útil para fines estructurales y de optimización de geometrías, así como predecir modos vibracionales de la molécula en cuestión. Pero falla a la hora de hacer consideraciones energéticas.

Los galardonados con el premio han conseguido la original tarea de combinar el mundo de la física clásica con el de la mecánica cuántica para poder realizar simulaciones de reacciones biológicas más fidedignas y menos costosas.

¿Cómo se las han ingeniado? Resulta que las reacciones de mayor interés para la vida son las enzimáticas, ya que las enzimas tienen la increíble capacidad de acelerar en varios órdenes de magnitud la velocidad de una reacción. Sin ellas la vida sería imposible. Pues bien, hay una región de la enzima llamada centro activo formada por relativamente pocos átomos que, como podemos intuir por el nombre, son los únicos implicados en la reacción entre la enzima y el substrato. La resta de átomos que no forman parte del centro activo no participan en la reacción y tienen una función principalmente estructural.

Si aplicamos cálculos mecánico-cuánticos al centro activo (lo cual es computacionalmente barato debido a que sólo implica un puñado de átomos) y cálculos clásicos a la resta de la molécula, obtenemos una modelización muy cercana a la realidad a la vez que asumible desde un punto de vista práctico.

De aquí viene la palabra “multiescala” que da nombre al Premio Nobel de Química de este año: estamos simulando el sistema en más de una escala, la clásica y la cuántica. Y es que además podemos añadir un tercer elemento relativo al medio. Obviamente, las reacciones transcurren generalmente en medio acuoso (condiciones fisiológicas), así que a la hora de simular nuestra reacción también debemos tener en cuenta este medio. Esto se hace añadiendo un medio homogéneo y dieléctrico en los alrededores de las moléculas partícipes de la reacción. En la imagen a continuación podemos ver lo que se acaba de explicar.

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Ésta es pues la gran aportación de este Nobel. Gracias a ello podemos simular, por ejemplo, como actúa un veneno sobre nuestras células y encontrar un antídoto sin siquiera salir de delante del ordenador. No tenemos que olvidar, además, que el diseño de la gran mayoría de fármacos se realiza en la actualidad mediante ordenador, lo cual  supone un ahorro considerable en experimentación empírica y en el tiempo que tarda en comercializarse el medicamento.

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