Representación, visualización, manipulación y obtención de descriptors: una alternative de aproximación al complejo nivel molecular

FLORENCIA MARTINI; LUCAS FABIÁN; KARINA ALLEVA; ALBERTINA MOGLIONI

CABA

Congreso; Congreso en Docencia Universitaria; 2013

Universidad de Buenos Aires

Situación que originó la experiencia La Química Medicinal tiene como objetivo primordial el estudio químico de moléculas que sean potenciales fármacos, tratando de elucidar la relación existente entre su estructura, sus propiedades físicoquímicas y su acción biológica, con el fin de diseñar nuevos fármacos[1]. Es sabido que la comprensión de conceptos estructurales a nivel molecular es frecuentemente difícil de alcanzar, ya que se requiere un nivel de abstracción significativo por parte del alumno y de estrategias didácticas eficientes por parte del docente, que posibiliten la comprensión y el apropiamiento de dichos conceptos fundamentales[2],[3]. Los trabajos prácticos tradicionales no suelen ser adecuados para asegurar la comprensión genuina de estos temas, en cambio la disponibilidad de software para modelar espacialmente moléculas complejas es una oportunidad para generar estrategias didácticas apropiadas. Propósito de la experiencia Descriptores moleculares y de sustituyentes, tridimensionalidad, grados de libertad, ángulos y distancias de enlace, orientaciones espaciales, optimización de estructuras son algunos de los conceptos que los alumnos de Química Medicinal deben adquirir y comprender. Es aceptado que simulaciones computacionales adecuadas comparten funciones epistémicas con otro tipo de experiencias realizadas in vivo o in vitro[4], jerarquizando la enseñanza de este tipo de herramientas en la educación universitaria, tanto para asegurar la comprensión profunda de conceptos tan abstractos, como para posibilitar una preparación adecuada a la práctica profesional contemporánea. Así, bajo la consideración de que la visualización y manipulación tridimensional in silico de moléculas permite una clara comprensión de los parámetros utilizados y calculados para describirlas, diseñamos un Trabajo Práctico centrado en el uso de software para realizar representaciones moleculares. Metodología y estrategias utilizadas El trabajo práctico se realiza en forma individual, en una sala de cómputos de la Facultad de Farmacia y Bioquímica (UBA). Este práctico consiste en que los alumnos realicen modificaciones de una estructura química base, para obtener diferentes moléculas análogas, realizar una minimización energética de sus geometría a través de la aplicación de un método semi-empírico, de tipo AM1 y obtener distintos descriptores de los análogos en estudio, que les permita realizar un estudio de relación estructura-actividad biológica cuantitativa (QSAR) de los distintos compuestos. El software utilizado fue HyperChem[5], si bien no se trata de un software libre (lo cual representaría un ideal para que la experiencia de los estudiantes traspase el salón de clase) la elección tuvo sus puntos fundamentales: 1) se trata de un paquete muy completo y amigable de manejo molecular básico, que puede extenderse a manejo de mayor complejidad; 2) opera bajo sistema operativo Windows que en general es conocido y manejado por los alumnos, y teniendo en cuenta el tiempo con el que cuenta la materia, no se dispone del suficiente para introducir un sistema operativo de código libre (ej: Linux), donde sí existen otros paquetes gratuitos, pero de manejo menos intuitivo. Para este Trabajo Práctico se diseñó un tutorial como material didáctico, basado en un video explicativo mediante captura de pantallas con audio incorporado. En el tutorial, se hace una breve introducción a los lineamientos generales del TP y a la utilización del programa HyperChem. El diseño del tutorial está fundamentado en lo que Burbules y Callister[6] remarcan acerca de integrar tecnología siempre en compañía de una propuesta pedagógica que apoye el aprendizaje basado en la indagación. Así, el tutorial no pretende resolver el camino que tome el estudiante al investigar el software utilizado, más bien, tiene la intencionalidad didáctica de estimular al estudiante a construir su propia investigación sobre las potencialidades del programa. Otro de los aspectos particulares de la implementación del TP está relacionado al rol docente. A diferencia de lo que ocurre en la mayor parte de los TP tradicionales en los que el docente da una extensa explicación del tema a trabajar, mostrando además de los objetivos, todos los posibles obstáculos e incluso los resultados que se espera alcanzar, en este caso se propuso que los docentes tuvieran un rol tan tutorial como el del material didáctico. Es decir, durante la realización del correspondiente TP, los docentes asistieron a los estudiantes en el desarrollo del mismo, con una mínima introducción de contenidos teóricos para la manipulación inicial del software correspondiente, buscando que el aprendizaje naciera de sus propias inquietudes y potenciando de este modo la autonomía de los alumnos para avanzar en el alcance de los objetivos planteados. Logros obtenidos que serán objeto de la comunicación En virtud a la presente experiencia, hemos tenido la posibilidad de acercar a los estudiantes conceptos moleculares desde un punto de vista más ?tangible?, visual y manejable. Esto les ha permitido abordar un reconocimiento molecular como objeto tridimensional, al cual le son aplicables los principios fundamentales de la geometría y sus posibles variaciones espaciales, obtenidas por alteraciones en los contenidos energéticos. El tutorial diseñado aportó a la generación de competencias docentes relacionadas a la elaboración de material didáctico adecuado a este tipo de entorno pedagógico, donde se busca un rol más protagónico del los alumnos. Por otra parte, este material, al cual los alumnos tuvieron acceso desde la semana previa a la realización del mismo, propició la optimización del tiempo que el alumno destina a entender las consignas en relación con el tiempo genuino que dedica en realizar el trabajo práctico. Ya que muchos estudiantes que habían visto el tutorial, ni bien sentados en las correspondientes CPUs asignadas, comenzaron a investigar el software (HyperChem), sin que medie otra explicación. La confección del correspondiente informe post trabajo práctico por parte de los alumnos, nos permitió notar una mejor comprensión de los aspectos moleculares y geométricos del farmacóforo. Así también, el tipo de preguntas que los alumnos realizaron respecto a las familias de fármacos, en las clases posteriores a la realización del TP, dejaron de ser asuntos generales de acción farmacológica (más vinculadas a la Farmacología que a la Química Medicinal), para centrarse en preguntas centrales a la disciplina, como ser las referidas a las características de las moléculas (fármacos) en estudio. En líneas generales, esta propuesta busca incentivar el potencial de observación, razonamiento lógico y manipulación de conceptos de nivel molecular, por parte de los estudiantes. Teniendo como objetivo último la aplicación de estos conceptos a nivel práctico, de manera de alcanzar el entendimiento del diseño de nuevos fármacos, contando con una sólida base molecular, la cual resulta indispensable. Cuestiones a consideración de los colegas Proponemos la discusión de una serie de puntos que consideramos de interés a la hora de optimizar la implementación de este tipo de estrategia. 1) Teniendo en cuenta que de la mayoría de los alumnos de la Facultad de Farmacia y Bioquímica están familiarizado con herramientas informáticas y TICs, sería oportuno la introducción a software de manipulación molecular en materias básicas, como Química General e Inorgánica y Química Orgánica, de manera detallada. Esto serviría de disparador para abordar la misma temática de manera más exhaustiva y aplicada en una materia del ciclo superior de la carrera, como lo es la Química Medicinal. 2) Asimismo, y llevando el nivel a una instancia superior, la introducción de software libre es muy deseable dentro del ámbito académico, y más aún en instituciones públicas de educación, como lo es la Universidad de Buenos Aires. Sería esperable, de esta forma, la formación tanto docente, como del estudiantado, en sistemas operativos que trabajen bajo la Licencia General Pública (GPL). [1] Antonio Delgado Cirilo, Cristina Minguillón Llombart, Jesús Joglar Tamargo, Ediciones Díaz de Santos, 2003 [2] Locatelli, S.; Ferreira, C. and Arroio, A. Problems in Education in the 21th Century 2010, 24: 75-83 [3] Dori, Y., & Barak, M. (2000). In B. Fishman & S. O´Connor-Divelbiss (Eds.), Proceedings of the Fourth International Conference of the Learning Sciences (pp. 185-192). [4] Anouk Barberousse · Sara Franceschelli Cyrille Imbert (2009) Synthese 169:557?574 [5] HyperChem(TM) Professional 7.51, Hypercube, Inc., 1115 NW 4th Street, Gainesville, Florida 32601, USA [6] Burbules, N.C. & Callister, T. A. 2000, Watch IT: The Risks and Promises of Information Technologies for Education. Westview Press: Boulder CO