Nobel para la química computacional que simula incluso procesos biológicos

Martin Karplus Michael Levitt y Arieh Warshl sentaron las bases de los potentes programas informáticos que se utilizan para comprender y predecir reacciones químicas

Tres científicos que trabajan en EE UU reciben el Premio Nobel de Química 2013 por el desarrollo, en los años setenta, de la química computacional avanzada que permite simular en ordenadores reacciones químicas complejas, incluso sistemas biológicos. Martin Karplus, Michael Levitt y Arieh Warshl, químicos teóricos, “sentaron las bases de los potentes programas que se utilizan para comprender y predecir los procesos químicos”, destaca la Real Academia Sueca de Ciencias, que añade: “Los modelos de ordenador que imitan la vida real son cruciales para la mayoría de los avances de la química actual”.

Estos modelos avanzados que ellos empezaron a crear hace 40 años “son herramientas que permiten predecir la realidad, si una reacción va a ocurrir o no… incluso se utilizan para inventar materiales, o fármacos con propiedades nuevas”, comenta el experto español Fernando Martín, profesor de la Universidad Autónoma de Madrid. También se utilizan estas potentes herramientas, como aplicación indirecta, para investigar, por ejemplo, cómo responden determinadas proteínas a contaminantes o a fármacos. “Actualmente estos modelos tiene tal poder predictivo que puedes hacer experimentos de química en ordenador en lugar del laboratorio convencional”, añade Martín.

Los tres científicos galardonados tienen nacionalidad estadounidense, pero ninguno de ellos nació en su país de adopción: Karplus es austriaco de nacimiento (1930); el británico Levitt, nació en Suráfrica (1947) y Warshel, en Israel (1940). El primero es de la Universidad de Estrasburgo (Francia) y de la de Harvard; Levitt, de la Universidad de Stanford y Warchel, de la Universidad de California del Sur en Los Ángeles.

Durante las reacciones químicas, que se producen en fracciones de milisegundo, los electrones saltan de un átomo a otro, lo que resultaba un reto difícil de abordar para la química clásica porque es virtualmente imposible cartografiar experimentalmente cada pequeño salto en un proceso químico. “Con la ayuda de los métodos ahora premiados con el Nobel de Química, los científicos hicieron que los ordenadores desvelaran los procesos químicos, como una purificación catalítica de gases de combustión o la fotosíntesis en las hoja verdes”, continúa la Academia. “Los trabajos de Kurplus, Levitt y Warshel son fundamentales ya que lograron que la física clásica de Newton funcionase junto con la fundamentalmente diferente física cuántica”.

El primer paso en esta dirección lo dio Karplus, en la Universidad de Harvard, al que, en 1970, se unió Warshel, que había trabajado con Levitt en Israel, utilizando un potente ordenador para desarrollar un modelo basado en la física clásica que permitía modelizar todo tipo de moléculas, incluso moléculas biológicas grandes. En Harvard, empezaron a desarrollar un nuevo tipo de programas y publicaron, en 1972, sus resultados: “Por primera vez alguien había logrado una colaboración química relevante entre la física clásica y la cuántica”, señala la Fundación Nobel. Dos años después, Warshel volvió a trabajar con Levitt con el objetivo de “desarrollar un programa que pudiera utilizarse para estudiar enzimas, proteínas que gobiernan y simplifican las reacciones químicas en los organismos vivos”. Lo lograron, en 1976, con la publicación del primer modelo computacional de una reacción enzimática.

Hasta las aportaciones fundamentales de los tres galardonados, los químicos tenían que elegir entre una u otra porque, mientras la primera, la física clásica, suponía hacer cálculos simples y podía utilizarse para modelizar grandes moléculas, su debilidad residía en que no permitía simular la dinámica de las reacciones químicas. Para esto los científicos tenían que recurrir a la física cuántica, pero entonces los cálculos exigían una gran potencia de cómputo y se podía hacer solo para modelos pequeños. “Los tres premiados en Química tomaron lo mejor de ambos mundos y concibieron métodos que usan tanto la física clásica como la cuántica”, continúan los académicos suecos. Así, por ejemplo, se logra simular cómo se acopla un medicamento a su proteína diana en el organismo, y el ordenador realiza los cálculos de los átomos de la proteína diana que interaccionan con el fármaco.

“Se trata de hacer química en el ordenador”, resume el especialista Modesto Orozco, catedrático de la Universidad de Barcelona, investigador del Instituto de Investigación en Biomedicina, de Barcelona e investigador del programa ICREA. La biocomputación, especialidad generada a partir de los trabajos de los tres laureados, "nos ha dotado, por ejemplo, de la capacidad de entender cómo son, cómo se mueven y cómo interaccionan las proteínas", continúa. “Esto permite abordar el diseño racional de fármacos en lugar del método tradicional de sintetizar guiados por el azar o la intuición decenas de miles de compuestos".

Orozco, además, es el director del Departamento de Ciencias de la Vida del Centro Nacional de Supercomputación, en Barcelona, y destaca que precisamente los cálculos de dinámica molecular son lo que más tiempo de cálculo consumen en el superordenador Marenostrum, y de hecho, en muchos otros superordenadores del mundo. “Incluso se han hecho algunas de estas máquinas específicamente para los cálculos de dinámica molecular”. Esto permite, añade Orozco, “ver las proteínas como son, como máquinas nanoscópicas en constante movimiento".  Destaca como un logro reciente de ese tipo de supercomputación química la modelización completa del virus que causa el sida, el VIH, con decenas de millones de átomos o la representación del plegamiento de proteínas.

“La descripción de un sistema químico y un sistema biológico se puede hacer a priori, a partir de las leyes de la mecánica cuántica con gran precisión, pero en la práctica, el cálculo es tan costoso que solo se puede hacer con sistemas relativamente pequeños", explica Orozco. La aportación de Karplus, Levitt y Warshel “fue usar la física clásica aproximándola a la física cuántica y lograr una buena descripción de los sistemas con un coste computacional moderado. Sus trabajos permiten ajustar las leyes clásicas para reproducir el comportamiento de los sistemas según las leyes cuánticas y, a partir de ahí, estudiar sistemas químicos y biológicos de enorme tamaño, obteniendo sobre ellos información de una calidad y detalle impensable”.

Orozco conoce bien a los tres galardonados hoy con el Nobel de Química -“los tres de ciencia básica”- y apunta alguna pincelada de ellos: “Karplus empezó como ornitólogo y, además, es un fotógrafo excepcional; Warshel nació y se crio en un kibutz de Israel”. Todos ellos, dice, son personas con una enorme curiosidad y han dedicado toda una vida a entender la naturaleza más intima de los procesos químicos y biológicos.

Química en el ciberespacio

La reacción química de la fotosíntesis que se produce en las hojas verdes llena de oxígeno la atmosfera y es un prerrequisito para la vida en la Tierra, recuerda la Real Academia Sueca de Ciencias, que ha elegido este ejemplo para describir de qué es capaz la biocomputación avanzada de la que Martin Karplus Michael Levitt y Arieh Warshl pusieron las bases. El proceso, además, puede ser útil desde el punto de vista energético.

El primer paso del experimento de la fotosíntesis artificial consiste en buscar en internet una imagen tridimensional de las proteínas que gobiernan la fotosíntesis. Son moléculas gigantes con decenas de miles de átomos, pero en el medio hay una pequeña región denominada centro de reacción que es donde las moléculas de agua se dividen en oxígeno e hidrógeno. Solo unos pocos átomos están directamente relacionados con la reacción. Iones de manganeso, uno de calcio, varios átomos de oxígeno…. “La imagen muestra claramente cómo están dispuesto los átomos y los iones en relación unos con otros, pero no dice nada acerca de lo que hacen estos iones y átomos”. Y eso es lo que uno tiene que descubrir en el ciberexperimento químico.

“Los detalles del proceso son virtualmente imposibles de visualizar con métodos tradicionales de química. Muchas cosas suceden en una fracción de un milisegundo. Además, es difícil conjeturar los procesos de la reacción a partir de la imagen del ordenador porque esta se tomó cuando la proteína estaba en reposo, mientras que, cuando la luz del Sol da en las hojas, las proteínas se llenan de energía y cambia toda la estructura atómica; es necesario saber cómo es este estado lleno de energía para comprender la reacción química.

Esto es lo que hacen los programas de ordenador que empezaron a desarrolalr los galardonados hoy con el Nobel, porque si hasta entonces los modelos clásicos solo presentaban las moléculas en estado de reposo, su trabajo permitió simular las reacciones mostrando el rol específico de los átomos en diferentes fases de la reacción.

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