Nobel Química 2013: Karplus, Levitt y Warshel por la bioquímica computacional

El austríaco Martin Karplus (Univ. Harvard, Cambridge, Massachusetts, EEUU), el sudafricano Michael Levitt (Facultad de Medicina de la Univ. Stanford, California, EEUU) y el israelí Arieh Warshel (Univ. del Sur de California, EEUU) son los ganadores del Premio Nobel de Química 2013 por «el desarrollo de modelos multiescala para sistemas químicos complejos.» La simulación por ordenador de la química cuántica de las macromoléculas (como las proteínas) y sus interacciones con los metabolitos (moléculas pequeñas) es imposible; el número de grados de libertad crece de forma exponencial con el tamaño. Por fortuna, basta simular la física cuántica de la reacción en el sitio activo (o centro de reacción), pudiendo usarse la mecánica clásica de Newton para simular las vibraciones del resto de la molécula, la llamada dinámica molecular. Este tipo de simulación multiescala fue introducida por Karplus, Warshel y Levitt entre 1972 y 1976. Desde entonces se considera la técnica numérica estándar para simular procesos bioquímicos en macromoléculas.

Anuncio del premio Nobel, información divulgativa [PDF], información técnica [PDF] y un artículo periodístico de Antonio Martínez Ron, «Nobel de Química 2013 para los científicos que facilitaron las simulaciones químicas por ordenador,» lainformacion.com, 9 Oct 2013.

Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones químicas, logrando que una reacción química energéticamente posible transcurra a mayor velocidad. Su importancia es vital en el metabolismo celular, pero la simulación por ordenador de su actividad química es muy difícil debido a que las enzimas contienen decenas de miles de átomos colocados en una estructura tridimensional complicada. La actividad catalítica de las enzimas está situada en ciertos lugares, llamados sitios activos o centros de reacción. En la reacción química que ocurre en estos lugares intervienen sólo unos pocos átomos y es posible aplicar la química cuántica para explicar su dinámica. Por fortuna, la mayoría de las reacciones químicas catalizadas por enzimas son muy rápidas y durante la reacción en el sitio activo, aunque la enzima puede cambiar de conformación tridimensional, el resto de la molécula no interviene de forma apreciable. Gracias a ello se puede simular la macromolécula usando la mecánica clásica, suponiendo que los átomos son bolas unidas por muelles (en realidad, partículas en pozos de potencial que simulan los enlaces químicos).

Esta descripción dual de las macromoléculas nació en la mente de los químicos teóricos cuando se desarrollaron los primeros ordenadores tras la Segunda Guerra Mundial, pero hasta la década de los 1960 no empezó a hacerse realidad. Los tres galardonados son pioneros en estas técnicas e introdujeron los modelos de multiescala en varios trabajos entre 1972 y 1976, aunque hay antecedentes previos y otros químicos computacionales que también podrían haber recibido el galardón. El joven Arieh Warshel visitó en Harvard a Martin Karplus y juntos desarrollaron un programa informático para simular la vibración de una serie de moléculas planas; ciertos enlaces entre los átomos eran tratados de forma cuántica y otros eran tratados de forma clásica. Entre 1975 y 1976, el aún más joven Michel Levitt se unió a Arieh Warshel para estudiar de forma teórica la bondad de las aproximaciones introducidas, resolviendo algunos problemas que tenía la técnica en ciertos casos. Desde entonces estas técnicas computacionales en química teórica han sido utilizadas hasta la saciedad para estudiar procesos complejos en química orgánica y bioquímica, catálisis heterogénea o incluso moléculas disueltas en líquidos.

Yo me dedico a la física computacional y me alegra que los galardonados sean químicos computacionales.