Experimentos en superordenadores

Este a?o reciben el Premio Nobel de Qu¨ªmica los investigadores Martin Karplus, Michael Levitt y Arieh Warshel por ¡°el desarrollo de modelos computacionales para la descripci¨®n de sistemas qu¨ªmicos complejos¡±. Su trabajo se enmarca dentro de la qu¨ªmica computacional, una disciplina que hace uso de ordenadores en lugar de los tradicionales tubos de ensayo para estudiar las propiedades, comportamiento y reactividad de las sustancias qu¨ªmicas.

Las ra¨ªces de la Qu¨ªmica Computacional est¨¢n en el trabajo pionero de Linus Pauling, premio Nobel de Qu¨ªmica en 1954, quien introdujo los conceptos de la f¨ªsica cu¨¢ntica en la descripci¨®n de los fen¨®menos qu¨ªmicos. Estos fen¨®menos son consecuencia del movimiento de los electrones y los n¨²cleos at¨®micos que componen las mol¨¦culas. En concreto, el movimiento de los electrones es el que determina la reactividad qu¨ªmica, movimiento que solo puede ser descrito de forma precisa en el marco de la f¨ªsica cu¨¢ntica.

La consecuencia del trabajo de Pauling fue el desarrollo de m¨¦todos matem¨¢ticos encaminados a la resoluci¨®n de la ecuaci¨®n fundamental de la F¨ªsica Cu¨¢ntica, la ecuaci¨®n de Schr?dinger, cuya complejidad en el caso de sistemas qu¨ªmicos, incluso los m¨¢s sencillos, es tan grande que uno est¨¢ obligado a utilizar aproximaciones. Aun con tales aproximaciones, las ecuaciones son demasiado complicadas para ser resueltas a mano, lo que hace imprescindible el uso de ordenadores. De ah¨ª el nombre de qu¨ªmica computacional.

El tremendo desarrollo de esta disciplina en la actualidad se debe, en parte, a otros dos premios Nobel, Walter Khon y John Pople, que recibieron el galard¨®n en 1998. Sin embargo, a pesar del ¨¦xito alcanzado en la descripci¨®n de mol¨¦culas sencillas, la aplicaci¨®n de tales m¨¦todos a sistemas complejos (pero tan importantes como las prote¨ªnas, el ADN o las nanopart¨ªculas) segu¨ªa siendo prohibitiva hasta hace algunos a?os, incluso utilizando los ordenadores m¨¢s potentes.

La gran contribuci¨®n de los tres investigadores galardonados este a?o con el Nobel fue constatar que, en sistemas como los mencionados, algunos de sus constituyentes, en concreto aquellos que se encuentran m¨¢s alejados de los centros reactivos de las mol¨¦culas, se pueden describir siguiendo patrones similares a los de la f¨ªsica cl¨¢sica de Newton. A diferencia de las ecuaciones de la f¨ªsica cu¨¢ntica, las de la f¨ªsica cl¨¢sica son m¨¢s sencillas de resolver, por lo que la combinaci¨®n de ambos tipos de ecuaciones permite abordar el estudio de sistemas qu¨ªmicos mucho m¨¢s complejos que los que se pueden tratar utilizando exclusivamente la f¨ªsica cu¨¢ntica.

Aun as¨ª, el tama?o de las mol¨¦culas en qu¨ªmica y biolog¨ªa es tal que la resoluci¨®n de las ecuaciones que resultan de esta combinaci¨®n cu¨¢ntica-cl¨¢sica puede llegar a requerir decenas de a?os de c¨®mputo en ordenadores dise?ados para realizar, como las personas, una sola tarea a la vez.

La ¨²nica manera de reducir la duraci¨®n de los c¨¢lculos para garantizar el r¨¢pido procesado de los resultados es repartir las distintas tareas entre muchos de los ordenadores que trabajen de forma simult¨¢nea. Es lo que se denomina realizar c¨¢lculos en paralelo. As¨ª, por ejemplo, para un c¨¢lculo que requiera 42 d¨ªas en un ordenador, el reparto equitativo de las tareas entre mil ordenadores (o m¨¢s correctamente, n¨²cleos) nos permite obtener el resultado en tan solo una hora. En este tipo de c¨¢lculos, la eficiencia del reparto de tareas es crucial para reducir al m¨¢ximo la duraci¨®n de los c¨¢lculos, lo cual depende de la eficiencia de la comunicaci¨®n entre los distintos n¨²cleos. Esto ¨²ltimo es la base de la supercomputaci¨®n o High performance computing (HPC). En el entorno espa?ol, se pueden realizar c¨¢lculos de este tipo en los superordenadores de la Red Espa?ola de Supercomputaci¨®n, como el Mare Nostrum de Barcelona, o en el XCHEM de la Universidad Aut¨®noma de Madrid.

Utilizando la adecuada combinaci¨®n de f¨ªsica cu¨¢ntica y cl¨¢sica, y superordenadores similares a los mencionados anteriormente, Karplus, Levitt y Warshel contribuyeron, entre otras cosas, a la comprensi¨®n de procesos biol¨®gicos tan complejos como el plegamiento y la funcionalidad de algunas prote¨ªnas, la reparaci¨®n del ADN, el funcionamiento de m¨¢quinas moleculares y la cat¨¢lisis enzim¨¢tica. Tambi¨¦n dieron un notable impulso al dise?o por ordenador de f¨¢rmacos y mol¨¦culas biol¨®gicas con nuevas propiedades. Por todo ello, no es aventurado afirmar que, en un futuro no muy lejano, la qu¨ªmica de laboratorio se vaya nutriendo cada vez m¨¢s del poder predictivo de la qu¨ªmica computacional y que, apoyada en el r¨¢pido desarrollo de los ordenadores, esta ¨²ltima pueda orientar e incluso reemplazar a multitud de experimentos exploratorios o de tanteo como los que se realizan en las fases iniciales de toda investigaci¨®n en qu¨ªmica.

Fernando Mart¨ªn Garc¨ªa es catedr¨¢tico de Qu¨ªmica F¨ªsica de la Universidad Aut¨®noma de Madrid (UAM) y director del Proyecto XCHEM del Consejo Europeo de Investigaci¨®n (ERC).