La química: un juego de Lego virtual

Por Darío Estrin*

Cuando el sistema inmune de nuestro organismo responde al estrés provocado por la presencia de un microorganismo patógeno mediante la liberación de óxido nítrico – una sustancia química que es capaz de matarlos – los microorganismos invasores se defienden haciéndola desaparecer mediante reacciones químicas con alguna de sus proteínas. Otro fenómeno de interés es cuando la droga anticancerígena cisplatino interactúa con los ácidos nucleicos, produciendo alteraciones útiles para limitar el crecimiento de tumores.

Estas dos situaciones son casos en los que las estrategias de simulación computacional han sido fundamentales para lograr comprender los fenómenos involucrados, aportando una visión microscópica que nos permite no sólo comprender íntimamente los fenómenos, sino también identificar blancos terapéuticos y diseñar nuevos fármacos. Por ejemplo, comprender el mecanismo de acción del cisplatino permite diseñar drogas modificadas más eficientes.

Los métodos de simulación computacional en química hacen uso de modelos matemáticos para simular las interacciones entre los átomos de las sustancias y así resolver problemas de índole química. La rama de la Química que emplea estas herramientas se conoce como Química Computacional y tiene como objetivos proveer explicaciones a nivel atomístico de fenómenos químicos, como también poder predecir propiedades desconocidas y diseñar nuevos sistemas.

En algunas situaciones el camino de la química computacional es mejor que hacer un experimento, dado que este puede resultar imposible o muy arduo de realizar, o las propiedades de interés pueden ser muy difíciles de medir. En cambio, este juego virtual en la computadora usando los átomos como ladrillos de un Lego, se basa en describir las interacciones entre los mismos mediante modelos matemáticos implementados en un programa computacional.

Los modelos más precisos para describir estas interacciones están basados en las leyes de la mecánica cuántica, válidas en la escala atómica. Estos modelos son necesarios para describir reacciones químicas. Sin embargo, su principal inconveniente es que son muy costosos en recursos de computación.

Por otro lado, existen modelos más sencillos, basados en las leyes de la física clásica. Al ser menos demandantes computacionalmente permiten estudiar sistemas de miles de átomos, como las proteínas, siempre y cuando los fenómenos a analizar no involucren ruptura o formación de enlaces químicos, como podría ser el caso de tener que simular diferentes conformaciones en una proteína determinada.

Otra alternativa son los llamados métodos de multiescala. En esta aproximación se emplean descripciones de distinto tipo para distintas regiones del sistema a estudiar. El ejemplo más popular en este campo es el esquema conocido como Esquema Híbrido Cuántico-Clásico, cuya sigla en inglés es QM-MM. En estos métodos la región de interés se describe con la mecánica cuántica, mientras que el resto del sistema se modela con potenciales clásicos, usualmente atomísticos.

En los últimos años, nuestro grupo de investigación en el INQUIMAE y el Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física de la FCEN-UBA ha desarrollado e implementado este tipo de metodologías en programas propios para atacar una variedad de problemas. Como ejemplo podemos mencionar el estudio del mecanismo por el cual funcionan algunas proteínas, como la indolamino dioxigenasa, una proteína involucrada en cáncer. En ese caso, hemos encontrado mediante la simulación computacional del mecanismo de reacción un nuevo intermediario, que luego fue caracterizado experimentalmente.

Otra proteína de gran interés cuyo mecanismo hemos elucidado es la peptidil glicil monooxigenasa, cuyo mecanismo de acción no estaba del todo claro. Como último ejemplo podemos mencionar la reacción de oxidación del aminoácido cisteína, un proceso que es relevante en muchos procesos fisiológicos y patológicos. En este caso, hemos elucidado el mecanismo en solución acuosa usando como oxidantes el peroxinitrito y el agua oxigenada.

Las estrategias de simulación multiescala han tenido un impacto muy grande en la Química en los últimos años, especialmente en el área de biomoléculas. Como consecuencia este año se le otorgó el Nobel de Química 2013 a Martin Karplus, Michael Levitt y Arieh Warshel, por sus ideas pioneras en el desarrollo de estos métodos. Su éxito se basa en que es posible implementarlas de manera eficiente en computadoras, y reflejan una visión extendida entre los químicos, que visualizamos de manera intuitiva los sistemas químicos, diferenciando la región de interés, o reactiva, que puede ser un soluto, o el sitio activo de una proteína, de su entorno, que puede ser el solvente, o el entorno proteico.

El uso de las herramientas de simulación computacional se está convirtiendo en una herramienta valiosísima y casi imprescindible en la química actual, y afortunadamente en nuestro país hay numerosos grupos que la emplean. El otorgamiento del Nobel seguramente tendrá un impacto positivo en la valoración de las mismas dentro de la Química.