Diseño de moléculas asistido por computadoras

Diseño de moléculas asistido por computadoras

Por: Abraham Vidal Limón

Red de Estudios Moleculares Avanzados, Instituto de Ecología.

Palabras clave: Computadoras; moléculas; insecticidas.

Resumen:

Con la ayuda de las computadoras podemos diseñar moléculas con arreglos espaciales que imiten a moléculas naturales. La investigación científica de estas moléculas permite dirigir nuestros experimentos en el laboratorio.

Toda la materia que encontramos en nuestro planeta está conformada por partículas diminutas que hemos llamados átomos. Estos átomos, poseen ciertas cualidades que los vuelven distinguibles cuando se reúnen y forman moléculas. Por lo tanto, la naturaleza de dichos átomos es, sin lugar a duda, decisiva para las características de las moléculas. Sin embargo, la composición química no es el único factor preponderante que define las propiedades de las moléculas, es decir, la distribución de los átomos en el espacio puede ser incluso más relevante. Por ejemplo, hay casos donde un par de moléculas poseen propiedades completamente distintas a pesar de contener el mismo tipo de átomos e inclusive, el mismo tipo de fuerzas que mantiene enlazados a los átomos. Y hace poco más de dos siglos, por allá de 1811 el químico francés Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) reportó que existían sustancias, con propiedades distintas, que poseían la misma composición química. Se le ocurrió que dichas sustancias deberían tener, el mismo tipo de átomos, pero enlazados de distinta manera. A los pocos años, el químico sueco Jöns Jacob von Berzelius (1779-1848), expuso a la comunidad científica que en dos compuestos orgánicos, el ácido tartárico y el ácido racémico, a pesar de que podrían contener los mismos tipos de constituyentes, estos no compartían las mismas propiedades. Berzelius, un apasionado de las lenguas, decidió llamar a estas sustancias isómeros (del griego ἰσόμερoς, isos= igual y méros= parte). Este fenómeno se debe a que los átomos en las moléculas, tienden a unirse unos con otros, pero de maneras muy específicas en el espacio. Es así como en química conocemos a los “estereoisómeros” como el conjunto de moléculas que contienen los mismos tipos de átomos, los mismos tipos de enlaces químicos, pero el arreglo espacial de los átomos no tiene la misma orientación.
Un ejemplo importantísimo de este fenómeno es el uso de los aminoácidos por los organismos vivos. Estos compuestos se concatenan y arreglan en el espacio para formar polímeros más grandes llamados proteínas. Los aminoácidos que naturalmente usamos los organismos son por lo general L-aminoácidos, es decir, tienen un arreglo levo (izquierdo o siniestro). De tal manera, que las maquinarias moleculares de los organismos vivos sólo incorporan L-aminoácidos en sus estructuras y no seleccionan a los D-aminoácidos con arreglo destro (derecho).

Existen otros casos de isómeros configuracionales, como los que se presentan en moléculas con cuatro átomos unidos a un átomo central. En ese caso, podríamos tener más de un ordenamiento para esos átomos y derivar en formas que no se superponen entre ellas. En ese caso, el átomo central se denomina quiral (del griego χειρ, que significa mano), ya que los arreglos de los átomos se parecerían a los de nuestras manos, que no se superponen (Figura 1).

Figura 1. Moléculas de aminoácidos quirales. El arreglo espacial de los átomos es distinto para las L y D-fenilalaninas, los cuales son enanitómeros.

¡Estos arreglos se denominan enantiómeros! Y presentan propiedades muy interesantes. Por ejemplo, estos compuestos al ser expuestos a la luz polarizada interactúan con ella girando el plano de la luz hacia direcciones opuestas.

En el Instituto de Ecología usamos computadoras y supercomputadoras para calcular las propiedades fisicoquímicas de diferentes moléculas quirales. Un ejemplo de estas investigaciones son las que realizamos los grupos de química orgánica y química computacional, los cuales unimos esfuerzos para hacer predicciones sobre las estructuras moleculares de compuestos bioinspirados en neurotransmisores, los cuales interaccionan con proteínas situadas en las neuronas de insectos plaga y los intoxican. Estas aproximaciones nos permiten generar criterios de selección para definir cuales moléculas sintetizar en el laboratorio (Figura 2).

Figura 2. Caricatura de la estructura de las proteínas de insectos. Las diferentes moléculas quirales bioinspiradas funcionan como insecticidas dirigidos, lo cual reduce la toxicidad hacia insectos que no son blancos, como los polinizadores.