EDUCACIN QUMICA ENERODE2014 ENERODE2014 EDUCACIN QUMICA82 PREMIO NOBEL 2013

Educ. qum., 25(1), 82-85, 2014. Universidad Nacional Autnoma de Mxico, ISSN 0187-893-XPublicado en lnea el 12 de diciembre de 2013, ISSNE 1870-8404

El Premio Nobel de Qumica 2013 para Qumicos Computacionales

Laura Domnguez1 y Carlos Amador Bedolla2

PREMIO NOBEL 2013

1 Department of Chemistry, Boston University. 2 Facultad de Qumica, Universidad Nacional Autnoma de Mxico.

Correo electrnico: carlos.amador@unam.mx

El premio Nobel de Qumica se otorga ya sea por el descubrimiento de algn fenmeno qumico excepcional necesariamente experimental o por el desarrollo de una tcnica que haya permitido el descubrimiento, la invencin o la justificacin de fenmenos qumicos excepcionales, lo que permite que esta tcnica pueda ser experimental o terica. La lista de las contribuciones tericas que han recibido el premio en los ltimos sesenta aos es relativamente escasa [NobelPrizeLaureates]:

Linus Pauling, 1954, por su investigacin en la naturaleza del enlace qumico y su aplicacin a la elucidacin de la estructura de sustancias complejas.

Robert Mulliken, 1966, por su trabajo fundamental concerniente a los enlaces qumicos y la estructura electrnica de molculas mediante el mtodo del orbital molecular

Kenichi Fukui y Roald Hoffman, 1981, por sus teoras concernientes al curso de las reacciones qumicas

Rudolph Markus, 1992, por sus contribuciones a la teora de las reacciones de transferencia de electrones en sistemas qumicos

y ms recientemente, cuando parte de la qumica terica se empez a llamar qumica computacional,

Walter Kohn y John Pople, 1998, por su desarrollo de la teora de funcionales de la densidad y por su desarrollo de los mtodos computacionales de la qumica cuntica, respectivamente

para llegar al que nos ocupa en este ao

Martin Karplus, Michael Levitt y Arieh Warshel, 2013, por el desarrollo de modelos multiescala para sistemas complejos

Estos dos ltimos premios representan la confirmacin de que la qumica cuenta con una nueva tcnica general, la qumica computacional. En palabras de un atrevido reportero de The Economist, En la vida real, esto podra significar que eventualmente la mayora de los experimentos qumicos se van a realizar en el silicio de los chips en vez de en el material de vidrio de los laboratorios. No hemos llegado a ese punto, pero nos acercamos poco a poco con proyectos como la Iniciativa del Genoma de los Materiales, que promueve el Gobierno de Estados Unidos [MaterialsGenome] y Folding at Home para resolver el complejo problema del plegamiento de protenas [Lane et al. 2013].

Dos cosas han permitido la entronizacin de la qumica computacional como una nueva herramienta general de la qumica. La primera es la que tambin ha definido nuestras vidas en la actualidad: la capacidad en hardware y software de nuestras computadoras. Considrese que los detalles fundamentales de la ciencia que fundamenta la realizacin de

ABSTRACT (Nobel Prize in Chemistry for computational chemists)Three leaders of computational chemistry received this year the Nobel Prize in Chemistry. Molecular Mechanics was the discipline they created to account for the formation and breaking of bonds, what is fundamental for chemistry. Michael Levitt, Arieh Warshel and Martin Karplus combined quantum mechanics and molecular mechanics and they have received the Nobel Prize in Stockholm last December 10th.

KEYWORDS: computational chemistry, Nobel Prize 2013, chemistry

ResumenLos lderes de la qumica computacional fueron galardonados este ao con el Premio Nobel de Qumica. La mecnica molecular funciona y permite estudiar interesantes problemas qumicos. Pero a esta tcnica le haca falta tomar en cuenta la posibilidad de la formacin y el rompimiento de enlaces qumicos, es decir, le faltaba incluir la reaccin qumica misma. Y es la resolucin de esta carencia fundamental, en particular, lo que premi el comit Nobel. Los tres galardonados (Michael Levitt, Arieh Warshel y Martin Karplus) contribuyeron en la combinacin de dos metodologas mecnica cuntica y mecnica molecular para tratar sistemas complejos y lo recibieron el pasado 10 de diciembre en Estocolmo.

Palabras clave: qumica computacional, Premio Nobel 2013, Qumica

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qumica in silico se conocen desde hace cuando menos setenta aos, y lo que ha permitido su aplicacin es el aumento en las capacidades computacionales de las que disponemos un incremento de un milln de veces en los ltimos cuarenta aos. Claro que por este aumento computacional no se dan Nobeles de Qumica. Es la segunda razn de la entronizacin de la qumica computacional la que ha merecido el Nobel en 1998 y el de este ao: el desarrollo de las tcnicas fsicoqumicomatemticocomputacionales que han garantizado el gran xito en la resolucin de problemas qumicos por estos mtodos.

La mecnica cuntica es la teora que se debe usar para estudiar el enlace qumico y su modificacin, es decir el proceso de reaccin qumica. Sin embargo, su aplicacin es increblemente compleja e, incluso luego de hacer arriesgadas y valientes aproximaciones como las que hicieron merecedores a Pople y Kohn del Nobel en 1998 el tamao de los sistemas qumicos que se pueden tratar es relativamente pequeo: mil electrones o por ah es el lmite presente con las computadoras ms avanzadas. Pero sta es una grave limitacin. Porque no es solo que la qumica sea compleja y que en muchas de sus aplicaciones ms fundamentales haga falta tomar en cuenta muchos ms que mil electrones, sino que algunas de sus aplicaciones ms importantes por ejemplo, las relacionadas con la bioqumica requieren el estudio de sistemas que tienen miles de veces esa cantidad de electrones.

Y aqu es donde inicia esa subdisciplina de la qumica computacional cuyos lderes fueron galardonados este ao. La mecnica molecular plantea una alternativa al problema del tamao en el estudio de la qumica reconociendo que muchos fenmenos qumicos de importancia no incluyen lacreacin/formacin de enlaces, sino que son regidos por la interaccin entre molculas que conservan su estructura primaria original a lo largo del proceso. Estas molculas interactan de manera tal que su conformacin estructura

secundaria, terciaria, cuaternaria se modifica y, al hacerlo, define el fenmeno que se observa; pero su esencia, determinada por el enlace qumico se mantiene intacta. sta es, entonces, la mecnica de las molculas.

Bajo este paradigma no hace falta tratar cunticamente a las molculas. Las interacciones que definirn su conformacin y por tanto el fenmeno qumico deseado pueden tratarse clsicamente. Y si bien el tratamiento clsico no es de ninguna manera noms enchlame otra, s es considerablemente ms sencillo que el tratamiento cuntico, de tal forma que se puede ampliar importantemente, por un lado, el tamao de los sistemas a considerar y pasar del mximo de 20 aminocidos promedio que se pueden tratar cunticamente con mil electrones a, por ejemplo, los 2,600 aminocidos, ms las 90,000 molculas de agua, considerados por Domnguez y colaboradores recientemente [Domnguez et al. 2013]; y se puede tambin, por otro lado, incluir otros fenmenos fundamentales para el estudio qumico del proceso, como por ejemplo, el efecto de la temperatura o la dependencia temporal. La mecnica molecular permite, entonces, aumentar mil veces el tamao de los sistemas considerados e incluir variables adicionales en el estudio de los procesos qumicos.

Mecnica molecularEn la mecnica molecular se considera a una molcula como una coleccin de masas centradas en el ncleo de los tomos y que estn conectadas entre s por resortes (enlaces) que se estiran, desplazan y rotan sin romperse ni crearse como resultado de aplicarles un potencial.

La mecnica molecular considera que un conjunto de fuerzas fsicas pueden ser usadas para describir geometras y energas moleculares. Entonces, el espacio conformacional que se obtiene es un ajuste de geometras que busca minimizar la energa interna de las molculas. La mecnica molecular involucra la construccin de un potencial de energa aplicado a un conjunto de posiciones atmicas extradas experimentalmente para calcular un espacio de conformaciones o simulaciones de dinmica molecular que podr explicar los estados energticamente accesibles de un sistema con respecto al tiempo.

De acuerdo con la mecnica clsica la descripcin de la energa interna de las molculas consiste en la suma de laenerga cintica, K, y potencial, V,

E = K + V.

La energa cintica consiste en la suma del movimiento de todos los tomos del sistema controlando, por ejemplo, la temperatura del sistema; la energa potencial consiste en la suma de las interacciones entre los tomos y se divide endos contribuciones: las que provienen de la interaccin de enlace definida por las uniones covalentes y que mantienen a dos o ms tomos juntos y la contribucin que viene de las interacciones de no enlace.

El conjunto de estas interacciones se denomina campo de fuerzas. La interaccin de enlace incluye la modificacinde

En el centro Martin Karplus, uno de los galardonados con el Premio Nobel de Qumica 2013. A su lado los otros cuatro profesores de Qumica Compu-tacional del Departamento de Qumica y Qumica Biolgica de la Universi-dad de Harvard. Destacamos a Aln Aspuru Guzik (quinto en el orden acostumbrado), colaborador frecuente de esta revista.

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la energa de enlace debida al cambio de la distancia entre los tomos tpicamente en la aproximacin armnica, la modificacin de la energa debida al cambio en el ngulo entre cada tres tomos enlazados que se trata tambin como un potencial armnico y las rotaciones entre cada grupo de cuatro tomos que definen un ngulo diedro que se representa como una funcin peridica. Por otro lado, las interacciones de no enlace se dividen en dos: interacciones electrostticas que se describen con la ley de Coulomb e interacciones atractivas y repulsivas descritas con un potencial de LennardJones.

Se han desarrollado diferentes campos de fuerza para describir biomolculas, cada uno de ellos con ventajas particulares; charmm, uno de los campos de fuerza ms populares fue desarrollado en Harvard por Martin Karplus. En este campo de fuerza, todos los tomos se toman en cuenta o, como se dice en la jerga de mecnica molecular, todo los tomos son explcitos. En cambio existen otros campos de fuerza como gromos, desarrollado por Wilfred van Gunsteren, el cual propone un paso ms en la idealizacin del sistema al definir conjuntos de tomos unidos.

El premio Nobel de Qumica 2013La mecnica molecular funciona y permite estudiar interesantes problemas qumicos. Pero a esta tcnica le haca falta tomar en cuenta la posibilidad de la formacin y el rompimiento de enlaces qumicos, es decir, le faltaba incluir la reac cin qumica misma. Y es la resolucin de esta carencia fundamental, en particular, lo que premi el comit Nobel. Los tres galardonados contribuyeron en la combinacin de las dos metodologas mecnica cuntica y mecnica molecular para tratar sistemas complejos: usaron mecnica clsica para describir un sistema con muchos tomos que sera imposible abordar con pura qumica cuntica y mecnica cuntica para estudiar la regin del sistema que lleva a cabo una reaccin qumica.

El desarrollo conjunto de la metodologa de multiescala comenz cuando Arieh Warshel y Martin Karplus se juntaron a principios de la dcada de los setenta. Warshel era experto en los potenciales intermoleculares descritos por la mecnica clsica y Karplus tena una importante experiencia en qumica cuntica. Su idea era juntarse para aplicar ambas metodologas y calcular la estructura atmica de un cromforo involucrado en la visin animal. En un trabajo conjunto, calcularon los ncleos de los tomos usando una aproximacin clsica y los electrones fueron modelados usando qumica cuntica. Pocos aos despus Arieh Warshel y Michael Levitt pudieron describir exitosamente la frontera entre la parte del sistema estudiado mediante mecnica clsica de la parte electrnica descrita con qumica cuntica.

Todava en un segundo paso, Michael Levitt y Arieh Warshel con la idea de estudiar sistemas an ms grandes y/o procesos que se llevan a cabo en tiempos muy largos como el plegamiento de protenas iniciaron el desarrollo de una aproximacin ms: agruparon conjuntos de tomos en unidades rgidas para tratarlos como seudotomos

clsicos; idea que habra de evolucionar en la creacin de los ahora llamados modelos de grano grueso.

Con la qumica computacional as combinada se ha podido caracterizar con detalle la estructura, el movimiento y la funcin biolgica de biomolculas. Por ello, los fundadores de la metodologa de multiescala para sistemas qumicos complejos han sido galardonados con el premio Nobel de Qumica que ha sido entregado en diciembre de 2013.

Los chismesEl chisme no es ajeno al premio Nobel. Ms bien es una de sus caractersticas peculiares. Desde el que cuenta de multitud de profesores que secuestran el telfono de su oficina al empezar octubre para que nadie ose interponerse ante la potencial llamada de Estocolmo, hasta los comentarios de muchsimos qumicos profesionales acerca de la relevancia y justicia del tema premiado y de las personas premiadas. Porque en los tiempos actuales una disciplina tiene siempre muchos lderes y siempre cabr la duda de si la seleccin de los tres premiados no dej fuera a un posible cuarto o alternativa para el tercero con ms merecimientos.

Sin embargo, en este ao destaca el comentario de algunos de los cientficos de la disciplina ms cercana posible a la premiada: los qumicos cunticos.

Acadmico 1: sta es la mejor botella que tengo, me gustara regalrsela a mi colega que acaba de ganar el Nobel de Qumica.Acadmico 2: No crees que le deberas amarrar una Budweiser a la caja? Porque bsicamente eso es la QM/MM.Acadmico 3: Amrrale una Bud Light.

Martin Karplus es, como muchos de los profesores de Harvard, respetuosamente temido y temerosamente respetado

Figura. Sitio activo de la catalasa-1 de Neurospora crassa.

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por la comunidad harvardiana. No cualquiera se anima a entablar conversacin con l. Nos llam la atencin, por tanto, la cndida autobiografa que escribi hace algunos aos. Vale la pena leerla [Karplus, 2006].

Acadmico 4: Lo bueno es que ahora s vamos a poder trabajar tranquilos porque ya no hay que pelear por el Nobel para un terico. Seguramente van a pasar muchos aos antes de que se otorgue otro a esta disciplina.

No compartimos la opinin de algunos de los colegas anteriormente mencionados. Quizs el periodista de The Econo-mist tenga razn y en el futuro cercano, con base en las tcnicas de la qumica computacional y apoyados como siempre por el increble avance de las capacidades computacionales y el anlisis de datos eso que se llama ahora Big Data otro terico reciba un premio Nobel por el descubrimiento, in sili-co,de algn fenmeno qumico excepcional.

Referencias[NobelPrizeLaureates] http://www.nobelprize.org/nobel_

prizes/chemistry/laureates/[TheEconomist1998] 15 de octubre, 1998 (http://www.

economist.com/node/172794)[MateriaslGenome] http://www.whitehouse.gov/blog/

2011/ 06/24/materialsgenomeinitiativerenaissanceamericanmanufacturing

[Lane et al. 2013]. Lane, T. J.; Shukla D.; Beauchamp, K. A. and Pande, V. S., To milliseconds and beyond: challenges in the simulation of protein folding, Current Opinion in Structural Biology, 23(1):5865, 2013.

[Domnguez et al. 2013] Domnguez, L., SosaPeinado, A. and Hansberg, W. (2013), How catalase recognizes H2O2 in a sea of water, Proteins. doi: 10.1002/prot.24352

[Karplus, 2006]. Karplus, M., Spinach on the ceiling: A Theoretical Chemists Return to Biology, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct., 35:147, 2006.