Premio Nobel de Química 2013: la Química hecha por ordenador

El premio Nobel de Química de 2013 ha sido otorgado a Martin Karplus, Michael Levitt y Arieh Warshel por sus avances en la Química Computacional. Vamos a hacer nuestro pequeño homenaje en Medciencia comentando en que consiste este descubrimiento y el increíble avance que  supone para la Química actual.

Siempre hemos sentido una ligera envidia de las plantas, especialmente en su manera de obtener energía y nutrientes. Mientras nosotros necesitamos alimentarnos de fuentes externas y creamos energía eléctrica a partir de combustibles, las plantas son capaces de lograr todo eso a partir de la luz, un recurso barato e inagotable, gracias al proceso de la fotosíntesis. La fotosíntesis consiste en un conjunto de reacciones bioquímicas entre diferentes componentes, de todas estas moléculas, la más importante es la clorofila, que es la encargada de recoger la luz y comenzar todo el proceso (aparte, también es la molécula que da el color verde a las plantas). Si pudiéramos crear una molécula artificial que imite a la clorofila, podríamos usarla para crear sensores de luz, placas solares, generadores de nutrientes artificiales y otras cosas que actualmente solo las plantas pueden realizar.

Pero para imitar algo necesitamos comprender como funciona, y aquí entra la aportación de los premios Nobel. La reacción química que se produce cuando la clorofila contacta con la luz es demasiado rápida para ser estudiada en detalle. Sabemos que se produce un cambio en su estructura y que algunos átomos son cargados con electrones de más. Ambas cosas permiten que la clorofila iluminada se pueda unir a otras proteínas para comenzar la fotosíntesis, pero se sabe poco sobre cómo la clorofila cambia de estructura. Actualmente podemos ver en gran detalle el “antes” y el “después” de una reacción química, pero el “durante” escapa a nuestro control.

Por este motivo, se empezaron a crear programas informáticos que dedujeran los pasos intermedios a partir del paso inicial y final. Si pensamos en las moléculas como estructuras de juguete llenas de bisagras, podemos probar a girar sus diferentes engranajes para lograr la forma final. Este tipo de programas fueron los más sencillos de crear y se les llama programas mecanicistas, porque consideran las moléculas como un juguete grande que pueden moldear. Estos programas son rápidos pero normalmente poco efectivos: pueden existir miles de maneras de llegar de una estructura a la otra, y solo una es la correcta. Para saber la solución debemos complicar nuestro modelo y volverlo más realista.

El problema es que las moléculas son mucho más complejas que un simple juguete. Los átomos que las forman son capaces de captar electrones y recibir una carga capaz de afectar a los posibles movimientos de la molécula. Los modelos mecanicistas no entienden de partículas cargadas, solo de giros, así que hay que crear un nuevo tipo de programas capaces de modelar cada átomo y predecir su comportamiento según su nivel de energía. A estos programas se les llama programas cuánticos y son mucho más realistas, pero a cambio requieren realizar unos cálculos demasiado complejos para nuestros ordenadores actuales. Para hacerse una idea los cálculos necesarios para predecir el cambio de estructura de una molécula de una decena de átomos requieren de un superordenador funcionando sin parar durante una semana. Imaginemos predecir el funcionamiento de cualquier proteína encargada de las reacciones bioquímicas en los seres vivos, que tienen cientos de miles de átomos. Usar un programa tan realista pero tan lento se vuelve prácticamente inútil.

Aquí entra la aportación de los nuevos Premios Nobel, estos tres científicos fueron capaces de crear un sistema capaz de usar lo mejor de ambos mundos: un programa capaz de funcionar rápidamente como los mecanicistas pero siendo más realista como los programas cuánticos. Las proteínas no producen reacciones bioquímicas a lo largo de toda su estructura, sino que se producen en una región más pequeña y generalmente escondida llamada zona activa. Karplus, Levitt y Warshel crearon programas capaces de usar la aproximación cuántica solamente en los átomos que forman la zona activa, pero usando la aproximación mecanicista en las regiones más lejanas. De esta manera los programas son capaces de predecir cambios de estructura complejos con mejor velocidad.

Aun así, estos programas se crearon en los años setenta, cuando aún no existían los niveles de computación actuales. Hoy en día conocemos el funcionamiento exacto de muchas proteínas y gracias a este conocimiento existe el campo de la biología sintética, capaz de crear nuevas moléculas con propiedades que no existen en la naturaleza. Incluso ahora estos programas requieren grandes habilidades de computación: en Medciencia hemos hablado sobre cómo ayudar y prestar tu ordenador a estos progresos científicos.

Poco a poco nuestros ordenadores serán más rápidos y nuestras simulaciones más realistas, pero siempre se recordaran a estos tres premios Nobel por dar el primer paso a la Química del futuro. ¡Enhorabuena a los premiados!

Fuente e Imágenes | Nobel Prize