¿LAS COMPUTADORAS PUEDEN HACER QUÍMICA?

¿LAS COMPUTADORAS PUEDEN HACER QUÍMICA?

Por: Abraham Vidal Limón

Red de Estudios Moleculares Avanzados, Instituto de Ecología A.C. 

 

 

Resumen

Las computadoras nos llevan a mundos inimaginables o videojuegos inmersivos. Pero para nosotros los científicos, estas herramientas son fundamentales para modelar reacciones químicas entre átomos o incluso entre moléculas de origen biológico, como las proteínas o el DNA.

 

 

Palabras clave

Moléculas biológicas; Química; Simulaciones Químico-computacionales.

 

Hoy en día, los avances tecnológicos son tan espectaculares que nos permiten generar paisajes de lejanos mundos distópicos, desde planetas donde vuelan las rocas hasta océanos infinitos de gelatina. En este caso, la industria cinematográfica se ha nutrido de las ciencias computacionales y los avances en animación digital, las cuales permiten diseñar y construir figuras geométricas, superficies y volúmenes tan complicados como el agua o el cabello y la piel humana. Y todo gracias a su poder de procesamiento, el cual es la capacidad de resolver operaciones matemáticas complejas en escasos segundos. De igual manera, los avances en la computación nos permiten divertirnos con videojuegos que usan la realidad virtual y aumentada, de manera que podamos manipular objetos virtuales o vagar por mundos de fantasía.

Sin embargo, en las diversas áreas científicas, también usamos la computación de manera intensiva y algunas veces no tan lúdica. Cotidianamente los científicos nos entreteneos con el procesamiento de grandes cantidades de números y textos, como en las bibliotecas virtuales; o para la resolución de problemas matemáticos derivados de las ingenierías.

Para el particular caso de las ciencias químicas, el uso de las computadoras ha derivado en la creación de áreas especializadas como la Química Computacional, la cual es un área de la química que usa el modelado y simulación asistida por computadora para ayudar en la resolución de problemas químicos. En esta área, se utilizan los métodos de la química teórica mediante su incorporación en programas computacionales especializados, los cuales son para calcular la estructura y propiedades de átomos, moléculas, compuestos biológicos, e incluso, los recientes nanomateriales. El nacimiento de la química computacional puede trazarse hasta inicios del siglo pasado, cuando el físico austríaco Erwin Schrödinger, planteó una teoría atómica que permitió hacer aproximaciones estadísticas para conocer el comportamiento de los átomos en el mundo microscópico. Aunado al conocimiento que emergía de la química teórica y experimental, la química computacional creció con el desarrollo de los sistemas de cálculo avanzado a partir de mediados del siglo pasado hasta las impresionantes unidades de procesamiento gráfico (GPU, por sus siglas en inglés) que alimentan las consolas de videojuegos y varios centros de supercómputo del mundo.

 

 

Para dar un ejemplo de los alcances de las simulaciones químico-computacionales y como ha permitido el avance de las ciencias químicas y biomédicas, basta con revisar como se daba el desarrollo de un fármaco a partir de compuestos de origen natural, como los extractos de plantas u hongos. Este proceso iniciaba con el descubrimiento por mera serendipia de una sustancia, la cual era probada mediante “ensayo y error”, hasta encontrar la actividad biológica. Por supuesto que esta aproximación nos puede mantener haciendo escrutinios de compuesto naturales la vida entera, y terminar con muy pocas sustancias activas. Sin embargo, el crecimiento más impactante para el descubrimiento y diseño de fármacos llegó de la mano con la química computacional. Por ejemplo, a partir del modelo de una sustancia conocida, la química computacional permitió identificar y optimizar compuestos con elevada afinidad hacia su diana molecular, o molécula sobre la cual tiene un efecto. De esta manera se desarrollaron los primeros inhibidores de la enzima proteasa del virus de inmunodeficiencia humana en la década de los 90s, y permitió pasar de cientos de miles de compuestos hacía unos cuantos candidatos potenciales.

En el mejoramiento de compuestos activos, la química computacional tiene una influencia notable, ya que facilita la búsqueda de compuestos que presentan no sólo una elevada afinidad por su diana molecular, sino que de manera dinámica permite optimizar sus propiedades fisicoquímicas que determinan la actividad farmacológica; por ejemplo, las propiedades farmacocinéticas ADMET, las cuales aseguran un balance en la absorción, distribución y metabolismo del fármaco, junto a su excreción y toxicidad. Y cómo todo es dinámico en este mundo estimado lector, Ud. puede estar seguro de que estas herramientas de la química computacional están sujetas a una constante revisión, beneficiándose además de los avances en la química orgánica, química teórica y la potencia de cálculo.

Para finalizar, espero que esta breve nota sobre química computacional permita mostrarle al lector que esta es un área sinérgica, la cual se extiende más allá de los límites de las áreas tradicionales de las ciencias tradicionales como la física, la biología y las ciencias de la computación; sus resultados permiten predecir fenómenos y rutinariamente complementan la información obtenida en experimentos, e incluso permiten que la investigación continúe hasta sitios y fenómenos en donde los laboratorios no pueden llegar.

Para leer más sugiero esta deliciosa lectura de G. Cuevas y F. Cortés, “Introducción a la Química Computacional”, 1ª ed. 2003. Fondo de Cultura Económica, México.