Química con el ordenador por el Prof. Dr. D. José García de la Torre, académico de número

¿Se puede hacer Química sin tocar un tubo de ensayo o matraz, sin pisar un laboratorio, sino sentado frente a un ordenador, con complicadas estructuras y gráficas en pantalla, como si no se tratase de un químico sino de un ingeniero aeronáutico o un agente de bolsa? A quienes (incluyendo el que suscribe) comenzamos a hacerlo hace unos cuarenta años, los compañeros nos trataban con recelo, cuando no con frontal rechazo. Quizás actualmente resulte menos extraño, pero todavía lejano a la imagen que se tiene de la Química. La mecánica cuántica indicaba que se podrían predecir las propiedades de sistemas químicos a partir de los primeros principios cuánticos. Ello conllevaba cálculos que se hicieron con éxito para las moléculas más pequeñas. Cuando los cálculos “a mano” se hicieron inviables, surgió, hacia 1970, una nueva herramienta: el ordenador. Durante unas décadas, la velocidad de los microprocesadores iba en aumento exponencial según la llamada Ley de Moore, y se creyó que llegaríamos a disponer de ordenadores capaces para simular grandes sistemas. Pero no ha sido así. En parte por fallo en el paradigma de Moore, y también por la complejidad de los cálculos cuánticos. Se recurrió a cambiar el enfoque físico, reemplazando la descripción cuántica por otra basada en la física clásica. Esto permitió abordar sistemas químicos de mayor tamaño, pero el estudio de grandes macromoléculas, como las proteínas o el ADN seguía siendo inviable. La molécula de butano tiene 14 átomos; la de hemoglobina, mas de 6000. En estos problemas, aumentar 10 veces el tamaño del modelo (átomos en la molécula) puede aumentar 100, o incluso 1000 veces la duración de los cálculos. En la nota de prensa notificando la concesión del Nobel de Química 2013 a Karplus, Levitt y Warshel, se describe que sentaron las bases para construir modelos y programas de ordenador que son cruciales en los avances de la Química actual. La frase oficial de la concesión es “por el desarrollo de modelos multiescala para sistemas químicos complejos”. El concepto “multiescala” es lo original de sus contribuciones. Consideremos la hemoglobina compuesta por unos 600 aminoácidos, y cada uno de estos por unos 10 átomos. Calculemos primero por física cuántica propiedades de los aminoácidos, y usemos después los resultados en un modelo de mecánica clásica para la hemoglobina compuesto ahora por solamente 600 elementos. A la intuición de descubrir las posibilidades de una nueva herramienta, los premiados añadieron la propuesta de un método para usarla eficazmente, que en nuestro grupo de investigación se viene aplicando hace muchos años.