Nobel para la qu¨ªmica computacional que simula incluso procesos biol¨®gicos

Tres cient¨ªficos que trabajan en EE UU reciben el Premio Nobel de Qu¨ªmica 2013 por el desarrollo, en los a?os setenta, de la qu¨ªmica computacional avanzada que permite simular en ordenadores reacciones qu¨ªmicas complejas, incluso sistemas biol¨®gicos. Martin Karplus, Michael Levitt y Arieh Warshl, qu¨ªmicos te¨®ricos, ¡°sentaron las bases de los potentes programas que se utilizan para comprender y predecir los procesos qu¨ªmicos¡±, destaca la Real Academia Sueca de Ciencias, que a?ade: ¡°Los modelos de ordenador que imitan la vida real son cruciales para la mayor¨ªa de los avances de la qu¨ªmica actual¡±.

Estos modelos avanzados que ellos empezaron a crear hace 40 a?os ¡°son herramientas que permiten predecir la realidad, si una reacci¨®n va a ocurrir o no¡­ incluso se utilizan para inventar materiales, o f¨¢rmacos con propiedades nuevas¡±, comenta el experto espa?ol Fernando Mart¨ªn, profesor de la Universidad Aut¨®noma de Madrid. Tambi¨¦n se utilizan estas potentes herramientas, como aplicaci¨®n indirecta, para investigar, por ejemplo, c¨®mo responden determinadas prote¨ªnas a contaminantes o a f¨¢rmacos. ¡°Actualmente estos modelos tiene tal poder predictivo que puedes hacer experimentos de qu¨ªmica en ordenador en lugar del laboratorio convencional¡±, a?ade Mart¨ªn.

Los tres cient¨ªficos galardonados tienen nacionalidad estadounidense, pero ninguno de ellos naci¨® en su pa¨ªs de adopci¨®n: Karplus es austriaco de nacimiento (1930); el brit¨¢nico Levitt, naci¨® en Sur¨¢frica (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 ?ngeles.

Durante las reacciones qu¨ªmicas, que se producen en fracciones de milisegundo, los electrones saltan de un ¨¢tomo a otro, lo que resultaba un reto dif¨ªcil de abordar para la qu¨ªmica cl¨¢sica porque es virtualmente imposible cartografiar experimentalmente cada peque?o salto en un proceso qu¨ªmico. ¡°Con la ayuda de los m¨¦todos ahora premiados con el Nobel de Qu¨ªmica, los cient¨ªficos hicieron que los ordenadores desvelaran los procesos qu¨ªmicos, como una purificaci¨®n catal¨ªtica de gases de combusti¨®n o la fotos¨ªntesis en las hoja verdes¡±, contin¨²a la Academia. ¡°Los trabajos de Kurplus, Levitt y Warshel son fundamentales ya que lograron que la f¨ªsica cl¨¢sica de Newton funcionase junto con la fundamentalmente diferente f¨ªsica cu¨¢ntica¡±.

El primer paso en esta direcci¨®n lo dio Karplus, en la Universidad de Harvard, al que, en 1970, se uni¨® Warshel, que hab¨ªa trabajado con Levitt en Israel, utilizando un potente ordenador para desarrollar un modelo basado en la f¨ªsica cl¨¢sica que permit¨ªa modelizar todo tipo de mol¨¦culas, incluso mol¨¦culas biol¨®gicas grandes. En Harvard, empezaron a desarrollar un nuevo tipo de programas y publicaron, en 1972, sus resultados: ¡°Por primera vez alguien hab¨ªa logrado una colaboraci¨®n qu¨ªmica relevante entre la f¨ªsica cl¨¢sica y la cu¨¢ntica¡±, se?ala la Fundaci¨®n Nobel. Dos a?os despu¨¦s, Warshel volvi¨® a trabajar con Levitt con el objetivo de ¡°desarrollar un programa que pudiera utilizarse para estudiar enzimas, prote¨ªnas que gobiernan y simplifican las reacciones qu¨ªmicas en los organismos vivos¡±. Lo lograron, en 1976, con la publicaci¨®n del primer modelo computacional de una reacci¨®n enzim¨¢tica.

Hasta las aportaciones fundamentales de los tres galardonados, los qu¨ªmicos ten¨ªan que elegir entre una u otra porque, mientras la primera, la f¨ªsica cl¨¢sica, supon¨ªa hacer c¨¢lculos simples y pod¨ªa utilizarse para modelizar grandes mol¨¦culas, su debilidad resid¨ªa en que no permit¨ªa simular la din¨¢mica de las reacciones qu¨ªmicas. Para esto los cient¨ªficos ten¨ªan que recurrir a la f¨ªsica cu¨¢ntica, pero entonces los c¨¢lculos exig¨ªan una gran potencia de c¨®mputo y se pod¨ªa hacer solo para modelos peque?os. ¡°Los tres premiados en Qu¨ªmica tomaron lo mejor de ambos mundos y concibieron m¨¦todos que usan tanto la f¨ªsica cl¨¢sica como la cu¨¢ntica¡±, contin¨²an los acad¨¦micos suecos. As¨ª, por ejemplo, se logra simular c¨®mo se acopla un medicamento a su prote¨ªna diana en el organismo, y el ordenador realiza los c¨¢lculos de los ¨¢tomos de la prote¨ªna diana que interaccionan con el f¨¢rmaco.

¡°Se trata de hacer qu¨ªmica en el ordenador¡±, resume el especialista Modesto Orozco, catedr¨¢tico de la Universidad de Barcelona, investigador del Instituto de Investigaci¨®n en Biomedicina, de Barcelona e investigador del programa ICREA. La biocomputaci¨®n, especialidad generada a partir de los trabajos de los tres laureados, "nos ha dotado, por ejemplo, de la capacidad de entender c¨®mo son, c¨®mo se mueven y c¨®mo interaccionan las prote¨ªnas", contin¨²a. ¡°Esto permite abordar el dise?o racional de f¨¢rmacos en lugar del m¨¦todo tradicional de sintetizar guiados por el azar o la intuici¨®n decenas de miles de compuestos".

Orozco, adem¨¢s, es el director del Departamento de Ciencias de la Vida del Centro Nacional de Supercomputaci¨®n, en Barcelona, y destaca que precisamente los c¨¢lculos de din¨¢mica molecular son lo que m¨¢s tiempo de c¨¢lculo consumen en el superordenador Marenostrum, y de hecho, en muchos otros superordenadores del mundo. ¡°Incluso se han hecho algunas de estas m¨¢quinas espec¨ªficamente para los c¨¢lculos de din¨¢mica molecular¡±. Esto permite, a?ade Orozco, ¡°ver las prote¨ªnas como son, como m¨¢quinas nanosc¨®picas en constante movimiento".? Destaca como un logro reciente de ese tipo de supercomputaci¨®n qu¨ªmica la modelizaci¨®n completa del virus que causa el sida, el VIH, con decenas de millones de ¨¢tomos o la representaci¨®n del plegamiento de prote¨ªnas.

¡°La descripci¨®n de un sistema qu¨ªmico y un sistema biol¨®gico se puede hacer a priori, a partir de las leyes de la mec¨¢nica cu¨¢ntica con gran precisi¨®n, pero en la pr¨¢ctica, el c¨¢lculo es tan costoso que solo se puede hacer con sistemas relativamente peque?os", explica Orozco. La aportaci¨®n de Karplus, Levitt y Warshel ¡°fue usar la f¨ªsica cl¨¢sica aproxim¨¢ndola a la f¨ªsica cu¨¢ntica y lograr una buena descripci¨®n de los sistemas con un coste computacional moderado. Sus trabajos permiten ajustar las leyes cl¨¢sicas para reproducir el comportamiento de los sistemas seg¨²n las leyes cu¨¢nticas y, a partir de ah¨ª, estudiar sistemas qu¨ªmicos y biol¨®gicos de enorme tama?o, obteniendo sobre ellos informaci¨®n de una calidad y detalle impensable¡±.

Orozco conoce bien a los tres galardonados hoy con el Nobel de Qu¨ªmica -¡°los tres de ciencia b¨¢sica¡±- y apunta alguna pincelada de ellos: ¡°Karplus empez¨® como ornit¨®logo y, adem¨¢s, es un fot¨®grafo excepcional; Warshel naci¨® 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 m¨¢s intima de los procesos qu¨ªmicos y biol¨®gicos.