Nobel para la Química Computacional

En las reacciones químicas los electrones saltan de un átomo a otro en fracciones de milisegundo. Es casi imposible observarlo experimentalmente, pero se puede modelizar y observar su efecto en un ordenador. Los galardonados utilizan la mecánica molecular clásica y la mecánica cuántica para modelizar reacciones en sistemas químicos complejos. Sus modelos híbridos, conocidos como QM/MM, (QM 'quantum mechanics', MM 'molecular mechanics'), son herramientas que permiten reproducir con detalle los procesos que ocurren a lo largo de una reacción y se utilizan por ejemplo para diseñar racionalmente materiales y fármacos. "Hoy los ordenadores son una herramienta tan importante para la Química como los tubos de ensayo", afirma el portavoz de la Real Academia sueca de Ciencias.

	Sus modelos híbridos, conocidos como QM/MM, son herramientas que permiten reproducir con detalle los procesos que ocurren a lo largo de una reacción y se utilizan por ejemplo para diseñar racionalmente materiales y fármacos

Hace unos años, uno de los galardonados, Michael Levitt, explicaba el importante papel que juegan los ordenadores: "Teníamos un programa que permitía calcular la energía, las fuerzas (primeras derivadas de la energía con respecto a las posiciones atómicas) y la curvatura (segundas derivadas de la energía con respecto a las posiciones atómicas)". Y añadía: "Si tienes un número de átomos situados en puntos específicos y conoces las fuerzas que se crean entre ellos, puedes crear simulaciones en ordenador que predigan cómo se van a mover".

Para determinar la estructura estática de una molécula se necesita conocer su energía potencial y calcular sus mínimos. Se utilizan modelos basados en calcular los potenciales que describen las interacciones de los átomos en el sistema. Los electrones y los núcleos de los átomos son las partículas de interés en los modelos de química cuántica, gobernados por la ecuación de Schrödinger. Los átomos o grupos de átomos lo son en los modelos clásicos, gobernados por la ley de Newton. Al no considerar los electrones separadamente, los modelos clásicos contienen menos grados de libertad y requieren menor coste computacional. Los laureados han mostrado cómo desarrollar modelos que describen la energía de un sistema utilizando modelos de química cuántica para el centro activo del sistema, donde ocurren los fenómenos químicamente interesantes y cómo enlazar esta parte con el entorno que lo rodea, que se modeliza utilizando partículas clásicas. Estos métodos se pueden aplicar a sistemas complejos necesarios para modelizar bio-moléculas o sistemas supra-moleculares.

Se necesita un modelo para describir el potencial intramolecular. El modelo que se usa actualmente está basado en las interacciones de Coulomb. Hace décadas se empezaron a construir modelos de potenciales inter- e intra-moleculares para sistemas complejos. S. Lifson y A. Warshel fueron líderes en este campo, con el desarrollo del método CFF ('Consistent Force Field'), campo de fuerzas consistente con las observaciones experimentales. Utilizaron un método de mínimos cuadrados para ajustar los parámetros de las ecuaciones teóricas con los datos experimentales. M. Levitt y S. Lifson fueron los primeros en utilizar estos potenciales para minimizar la energía de una proteína, utilizando técnicas de optimización. La ventaja de los potenciales basados en métodos clásicos es que se puede calcular fácilmente la energía y se pueden estudiar sistemas complejos. El inconveniente es que sólo se pueden utilizar en estructuras donde las moléculas que interaccionan mantienen sus enlaces. En consecuencia no se pueden utilizar en el estudio de las reacciones químicas, en las que, a partir de los reactivos, surgen nuevas moléculas. Recíprocamente, los métodos de la química cuántica se pueden utilizar para el estudio de las reacciones químicas donde se forman y se destruyen moléculas, aunque tienen un alto coste computacional y sólo se pueden analizar sistemas pequeños.

El primer paso en el desarrollo de los modelos QM/MM se dio cuando Ariel Warshell fue a visitar a Martin Karplus a la Universidad de Harvard, a principios de los 70. Warshell era experto en potenciales inter e intra moleculares y Karplus era experto en química cuántica. Juntos construyeron un programa de ordenador que podía calcular parte del espectro electrónico y el espectro de vibración de un número de moléculas con excelentes resultados. La base de esta aproximación fue que los efectos de los electrones de un tipo de enlace fueron modelizados usando una aproximación cuántica y el de los restantes electrones y de los núcleos fueron modelizados usando una aproximación clásica, ambas adecuadamente corregidas para contemplar la superposición entre ellas. De este modo construyeron métodos híbridos que combinan las ventajas de los métodos cuánticos y clásicos para describir sistemas químicos complejos. Este método particular estaba restringido a sistemas planos, en los que la simetría proporciona una separación natural entre electrones de dos tipos de enlaces diferentes, los que están fuera del plano de la molécula se trataban cuánticamente.

En 1976, Ariel Warshell y Michael Levitt mostraron que es posible construir un esquema general para el reparto entre electrones que están incluidos en la parte clásica y electrones que están explícitamente descritos en la parte cuántica. Se necesitaba resolver varios problemas fundamentales para que el procedimiento funcionara. Se deben construir términos del acoplamiento de la energía que modelizan la interacción entre el sistema clásico y el sistema cuántico, así como los ajustes entre las partes clásicas y cuánticas del sistema con el entorno que lo rodea.

En el tiempo comprendido entre la publicación de los resultados anteriores, Michael Levitt y Ariel Warshell publicaron en 1975 un estudio sobre el plegamiento de proteínas. En este trabajo se estudia el plegamiento de proteínas desde una conformación abierta hasta una conformación plegada, y se demuestra que se puede estudiar un proceso tan complejo si se agrupan conjuntos de átomos en unidades rígidas que se tratan como pseudo-átomos clásicos. Obviamente esta aproximación disminuye el coste computacional y acelera la modelización del sistema, a costa de perder resolución en la información extraída.

El trabajo relativo a este premio Nobel ha sido el punto de partida para desarrollos teóricos de modelos más precisos y también para estudios aplicados. La metodología se ha utilizado para estudiar no sólo procesos complejos en química orgánica y bioquímica, sino también en el diseño de fármacos. Pero lo más importante es que ha abierto una fructífera cooperación entre teoría y experimentos, lo que ha permitido abordar muchos problemas que antes eran irresolubles.