Reconoce el Nobel de Química 2013, la simulación molecular
Hoy en día, muchos laboratorios en el mundo hacen sus estudios aplicando las técnicas de simulación molecular desarrolladas por los ganadores del Nobel, para saber, por ejemplo, qué especies moleculares podrían constituir los fármacos adecuados para determinadas enfermedades, o para el diseño de materiales con determinadas propiedades conductoras, superconductoras, magnéticas, catalíticas o mecánicas, entre otras.
Se ha demostrado que el uso de este tipo de métodos teóricos ahorra gran cantidad de tiempo y dinero en la realización del trabajo experimental de investigación, refirió Miguel Castro Martínez, profesor-investigador del Departamento de Física y Química Teórica de la FQ y especialista en el tema.
La combinación teórico-experimental planteada por estos científicos ha sido de gran utilidad para el avance de la Química en sistemas altamente complejos, como son los biológicos y los materiales actuales (nanopartículas o grafenos, entre otros). Ello ha generado altas expectativas en áreas como la de fármacos, catalizadores y ciencia de materiales, aseguró el universitario.
Además, la única manera de conocer y comprender la estructura de nuevos compuestos orgánicos e inorgánicos es mediante los cálculos propuestos por estos investigadores. La simulación molecular permite, por ejemplo, saber por qué una molécula es cancerígena; por qué exhibe comportamientos catalíticos, ópticos ó magnéticos; por qué los cúmulos de átomos de oro exhiben propiedades anti-cancerígenas. “Estos estudios teóricos son útiles para entender el comportamiento y las propiedades electrónicas de las moléculas, ya sean fármacos o cualquier otra sustancia química. Los resultados de los estudios teóricos suelen ser de exactitud comparable, o aún superior en algunos casos, a los obtenidos experimentalmente”, puntualizó Miguel Castro.
“La genialidad de estos científicos es haber conjuntado la mecánica clásica que permite describir el Universo, con la mecánica cuántica que permite detallar el mundo microscópico de los átomos y las moléculas. Estas técnicas, que estudian la región microscópica, con la mecánica cuántica, y la región mesoscópica, con la clásica, han tenido un alto impacto en el desarrollo de la Química y seguramente lo seguirán teniendo”, expresó el académico.
Mecánicas clásica y cuántica
De acuerdo con la Real Academia Sueca de Ciencias, que entrega este galardón, el trabajo de estos químicos teóricos es fundamental, pues “los modelos de ordenador que imitan la vida real son cruciales para la mayoría de los avances de la Química actual”.
Desde la década de 1970, Karplus (Austria), Levitt (Sudáfrica) y Warshel (Israel) comenzaron a trabajar en el desarrollo de la Química computacional avanzada, la cual permite simular, con la asistencia de facilidades de cómputo y de super-cómputo, las reacciones químicas que ocurren en los sistemas biológicos.
A este respecto, Miguel Castro Martínez explicó que es en extremo complejo reproducir en el laboratorio las condiciones en que las enzimas y proteínas –compuestas por numerosos átomos– actúan en los organismos. Por ello, aún no se conocen muchos detalles –estructurales y electrónicos– de estas macromoléculas y de los eventos químicos que ocurren al interior de un ser viviente.
El especialista recordó que, por ejemplo, existen enzimas o moléculas que catalizan las reacciones químicas en los sistemas biológicos. Un ejemplo notable es la reacción química que ocurre en los suelos y es catalizada por una enzima denominada nitrogenasa, la cual es capaz de fijar el nitrógeno atmosférico, hecho de vital importancia para la vida en el planeta. La nitrogenasa apenas se ha caracterizado experimentalmente y aún no se sabe exactamente cómo funciona.
Sin embargo, “los cálculos teóricos con la mecánica cuántica comienzan a hacer posible entender cómo se lleva a cabo ese proceso enzimático, mediante simulaciones moleculares”, comentó el docente de la FQ.
Los ganadores del Premio Nobel, indicó Castro Martínez, desarrollaron “un método tal que la región química de interés de determinada enzima (el sitio activo) se puede describir a nivel de la mecánica cuántica (donde se ve el comportamiento de los electrones), y los cientos de átomos que están alrededor se pueden caracterizar a través de la mecánica clásica”.
Es decir, los científicos combinaron las dos mecánicas: la cuántica para el nivel microscópico y la clásica para el macroscópico, lo que dio como resultado una descripción bastante exacta del sitio activo de las moléculas, lo que permite entender, por ejemplo, cómo es que un fármaco u otra especie tóxica acciona o interactúa con la proteína.
Las técnicas derivadas de combinar ambas mecánicas “han sido extraordinariamente útiles en Biología, porque permiten describir esos grandes sistemas de enzimas y proteínas en un ambiente biológico con mucha precisión, lo cual ha sido y será de gran utilidad para estudiar y comprender los procesos fisicoquímicos que ocurren al interior de los sistemas vivientes”.
En los países desarrollados, concluyó el especialista, los laboratorios de investigación de las universidades e institutos utilizan de manera importante estas técnicas teóricas. No obstante, México requiere mayor apoyo para incrementar su utilización. La investigación teórica efectuada en la Facultad de Química es de alto nivel, pero se requiere trabajar más en este terreno en virtud de los nuevos avances.