El sue?o de calcular estructuras complejas como las prote¨ªnas

Este a?o el Premio Nobel de Qu¨ªmica ha reca¨ªdo en dos figuras se?eras de la Qu¨ªmica Cu¨¢ntica: John A. Pople y Walter Kohn. Los fundamentos de la qu¨ªmica cu¨¢ntica se establecen a principios del siglo XX, en un esfuerzo por llegar a formular las leyes que gobiernan la estabilidad de los ¨¢tomos y de entender por qu¨¦ los ¨¢tomos tienden a unirse entre s¨ª para dar agregados m¨¢s estables que conocemos como mol¨¦culas. A ello se a?ad¨ªa la necesidad de explicar y/o predecir qu¨¦ forma tienen estas mol¨¦culas y, por ende, qu¨¦ propiedades presentan, tales como polaridad, paramagnetismo o capacidad para reaccionar con otras mol¨¦culas y producir nuevos compuestos. La qu¨ªmica cu¨¢ntica permiti¨®, adem¨¢s, entender c¨®mo se produce la luz y c¨®mo ¨¦sta interacciona con la materia. De hecho es el comportamiento cu¨¢ntico de la materia el responsable de que los ¨¢tomos y las mol¨¦culas emitan o absorban luz. Tambi¨¦n es esencialmente cu¨¢ntica la base f¨ªsica de la Resonancia Magn¨¦tica Nuclear, cuyo fundamento te¨®rico es una de las contribuciones m¨¢s significativas de John A. Pople en los a?os cincuenta. Con el devenir del tiempo esta t¨¦cnica se aplicar¨ªa en campos tan diversos como la qu¨ªmica, la f¨ªsica, la bioqu¨ªmica o la medicina.

Sin embargo, el formalismo matem¨¢tico de la Qu¨ªmica Cu¨¢ntica, aunque riguroso, es extraordinariamente complicado, con el agravante de que dicha complejidad aumenta dram¨¢ticamente con el n¨²mero de part¨ªculas del sistema, lo que limita seriamente su aplicabilidad general. De hecho, durante mucho tiempo s¨®lo mol¨¦culas muy sencillas y con un grado de precisi¨®n no muy elevado, se pudieron tratar con esta metodolog¨ªa.

El desarrollo de ordenadores cada vez m¨¢s potentes y r¨¢pidos cambi¨® por completo este panorama. Grupos de qu¨ªmicos cu¨¢nticos, entre los que Pople siempre fue pionero, comenzaron a desarrollar programas de c¨¢lculo capaces de resolver las complicadas ecuaciones de la qu¨ªmica cu¨¢ntica en tiempos razonables. Ello requer¨ªa un profundo conocimiento de la teor¨ªa de funciones y el manejo de eficaces algoritmos de c¨¢lculo, y quiz¨¢ por ello Pople, dada su formaci¨®n eminentemente matem¨¢tica, fue desde el principio uno de los l¨ªderes indiscutibles de este proceso.

Primer programa

El primer programa de c¨¢lculo elaborado por Pople y su grupo, libre de apriorismos, el Gaussian-70, estuvo a disposici¨®n de la comunidad cient¨ªfica a principios de los a?os setenta. El n¨²mero de art¨ªculos cient¨ªficos en los que, usando las t¨¦cnicas de la qu¨ªmica cu¨¢ntica, se discut¨ªa la estabilidad relativa de compuestos poco estables y su forma m¨¢s probable o en los que se propon¨ªan modelos te¨®ricos para explicar el comportamiento de diferentes familias de compuestos qu¨ªmicos empezaron a aumentar de un modo significativo. A lo largo de los a?os ochenta hubo un esfuerzo continuado por refinar los modelos de la qu¨ªmica cu¨¢ntica para que su precisi¨®n y, por consiguiente, su valor predictivo fuese cada vez mayor. Y en esta tarea, de nuevo, el trabajo de Pople fue pionero. ?l fue el primero en desarrollar y programar algoritmos capaces de dar cuenta de efectos f¨ªsicos cada vez m¨¢s finos y alcanzar as¨ª una precisi¨®n comparable a la de las t¨¦cnicas experimentales. Se iniciaba una era en la que las estructuras moleculares que predec¨ªa la qu¨ªmica cu¨¢ntica estaban en perfecto acuerdo con las estructuras que se deduc¨ªan usando los m¨¦todos experimentales m¨¢s precisos, como la espectroscopia de microondas. Incluso en aquellos casos en los que hab¨ªa discrepancia entre la asignaci¨®n experimental y la predicci¨®n te¨®rica, la revisi¨®n de los resultados sol¨ªa decantarse en favor de la ¨²ltima.

La d¨¦cada de los noventa asiste a una aut¨¦ntica eclosi¨®n de los c¨¢lculos te¨®ricos. A ello contribuyen, en no poca medida, las contribuciones del otro laureado, Walter Kohn, que hab¨ªa establecido, con anterioridad, las bases de un formalismo alternativo, conocido como teor¨ªa del funcional de la densidad, capaz de dar respuestas comparables a las obtenidas por los m¨¦todos tradicionales de la qu¨ªmica cu¨¢ntica, pero con un esfuerzo computacional significativamente menor. El sue?o de muchos cu¨¢nticos, poder calcular estructuras tan complejas como las de las prote¨ªnas, en las que los ¨¢tomos se cuentan por cientos o incluso por miles, empezaba a ser alcanzable.

Hoy d¨ªa la qu¨ªmica computacional es un complemento imprescindible de cualquier trabajo experimental en qu¨ªmica. Uno puede predecir la posible actividad de un f¨¢rmaco antes de sintetizarlo, ahorrando esfuerzos y reduciendo costes. Es posible predecir las propiedades de componentes de la alta atm¨®sfera o del espacio interestelar imposibles de ser estudiadas experimentalmente dada su baja estabilidad. Es posible entender c¨®mo una mol¨¦cula absorbe o emite luz, es decir, sus espectros de microondas, de infrarrojo o de visible y ultravioleta, as¨ª como su fluorescencia o fosforescencia. Se puede llegar a entender el mecanismo de acci¨®n de un catalizador y dise?ar nuevos catalizadores.

Espacio interestelar

Las nuevas t¨¦cnicas de la qu¨ªmica cu¨¢ntica permiten modelizar el espectro de resonancia magn¨¦tica de una mol¨¦cula o establecer modelos que permitan explorar c¨®mo se forma el smog que contamina nuestras ciudades, o c¨®mo se forman las mol¨¦culas que pueblan el espacio interestelar. Es posible, en fin, predecir nuevas estructuras moleculares que parecen violar las ideas m¨¢s cl¨¢sicas de la Qu¨ªmica y luego llegar a sintetizarlas. Los ¨²ltimos a?os de este siglo han asistido, pues, al afloramiento de la qu¨ªmica computacional como una herramienta imprescindible para entender y desarrollar la qu¨ªmica moderna, cuya capacidad de predicci¨®n seguir¨¢ asombr¨¢ndonos durante mucho tiempo todav¨ªa, gracias al esfuerzo, entre otros, de figuras de la talla de Pople y Kohn. A Pople le adorna adem¨¢s una cualidad especial que los que hemos tenido el privilegio de trabajar con ¨¦l pod¨ªamos apreciar casi cotidianamente: su facilidad para reducir a los t¨¦rminos m¨¢s simples y sencillos los conceptos o las ideas m¨¢s complicadas. Sus art¨ªculos han legado a la qu¨ªmica un buen n¨²mero de modelos, extra¨ªdos de un complejo formalismo, capaces de explicar, en t¨¦rminos f¨¢cilmente comprensibles por los no expertos, la base f¨ªsica de muchas propiedades moleculares, lo que convierte a este cient¨ªfico en uno de los gigantes de la segunda mitad de este siglo, sobre cuyos hombros se a¨²pa un amplio colectivo de hombres de ciencia.