Juegos de química que obtienen el Nobel

Autores: Miguel Vicente, Paulino Gómez-Puertas y Jesús Mendieta

En 2013 el Nobel en Química ha premiado un juego de ordenador. ¿Es que en la Academia Sueca se han vuelto locos perdiendo el tiempo con las consolas? No exactamente, han premiado el desarrollo de unos procedimientos para reproducir en un ordenador las reacciones químicas que nos mantienen vivos. Entre otras aplicaciones, una muy importante es que gracias a ello se hace más fácil buscar compuestos para modificar el comportamiento de nuestras células o para frenar a los patógenos que las infecten. Por eso, empezando con algo que al principio, en los años setenta del siglo pasado, podía parecer un pasatiempo pronto será posible aliviar el sufrimiento provocado por muchas enfermedades.

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Premiados con el Nobel de Química en 2013. Martin Karplus (Harvard, USA y Estrasburgo, Francia), Michael Levitt (Stanford, USA) y Arieh Warshel (Southern California, USA).

 

Los tres investigadores premiados combinaron dos modos de entender la Física, uno es la Mecánica Newtoniana, que podíamos decir se puede reproducir en modelos informáticos con menor detalle (a nivel atómico) y el otro la Mecánica Cuántica cuya simulación precisa ser mucho más detallada (a nivel sub-atómico). Su idea genial fue darse cuenta de que para facilitar los cálculos empleados para simular las reacciones químicas que realiza una proteína, muy complejos y que requieren mucho tiempo de procesamiento en el ordenador, no es necesario describir toda su estructura con el mismo detalle minucioso. Lo mismo que para saber cómo se asa un pollo en casa no es necesaria una lista de los cuadros del salón, sino saber qué tipo de horno tiene la cocina, para simular en el mundo virtual cómo se produce una reacción química dentro de una proteína sólo es preciso dar muchos detalles sobre lo que sucede en su centro activo, y no tantos sobre lo demás que hay alrededor. En el centro activo de una proteína es donde se procesan los enlaces químicos de las moléculas que la proteína transforma. Allí se queman los combustibles o se sintetizan los compuestos necesarios para la vida.

Esta simplificación del problema consigue que hoy se pueda recrear en el ordenador un mundo virtual en 3D que imita casi a la perfección el funcionamiento de las proteínas. Gracias a ello, podemos ya realizar experimentos en el ordenador como si los hiciéramos en el tubo de ensayo y seguir así una reacción química en tiempo real. Con una enorme ventaja: podemos "ver" y medir el movimiento de los átomos individuales en distancias que se miden en Angstroms (diez-millonésimas de milímetro) y en escalas de tiempo de nanosegundos (mil-millonésimas de segundo). Ninguna otra técnica puede hacerlo con la precisión con la que la reacción química ocurre en los circuitos del ordenador. Y lo mejor de todo es que esos experimentos virtuales que arrojan resultados casi tan válidos como los que se realizan en el tubo de ensayo los podría hacer en su cuarto de estar una persona que tenga los conocimientos y los programas adecuados usando un ordenador poco más potente que el que ya tiene.

En la actualidad son muchos los grupos de investigación que, gracias a las bases proporcionadas por Karplus, Levitt y Warsel, están diseñando nuevos sistemas de simulación computacional de procesos biológicos, que cada vez son más precisos y eficientes. Los autores de este artículo (en el CNB y en el CBMSO) junto con la empresa Biomol-Informatics llevan colaborando ya varios años en el estudio de proteínas que las bacterias precisan para proliferar. Nuestro objetivo es utilizar métodos virtuales para averiguar cómo bloquear su actividad y así diseñar nuevos antibióticos. Para una de ellas, la proteína llamada FtsZ, por simple modelización de su estructura ya habíamos comprobado que su centro activo es relativamente accesible para las moléculas que han de introducirse en él. En su momento los procedimientos de simulación dinámica permitieron además definir mucho mejor sus propiedades, e incluso predecir algo que la química sola no nos había dicho todavía, que su actividad era muy baja cuando la reacción se realizaba en medios ligeramente ácidos, cosa que comprobamos ocurría de verdad en el laboratorio.

 
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El agua que transita alrededor de FtsZ. Se muestran moléculas de agua (representada como dos bolitas blancas unidas a otra roja) deambulando por los alrededores de un complejo formado por cuatro moléculas de FtsZ (lo que se llama un tetrámero). Una molécula de agua es necesaria para una de las reacciones que ejecuta FtsZ, y en este caso solo se queda estacionada en el sitio adecuado en dos de los centros activos del tetrámero, los que funcionan. En el otro, que en las condiciones de la simulación no es funcional, ninguna de las moléculas de agua que rondan por su alrededor logra estabilidad suficiente para estar en la posición correcta. Fuente: enlace.

Como la proteína FtsZ la necesitan la inmensa mayoría de las bacterias, incluyendo las que producen muchas infecciones graves, nuestro trabajo se encamina ahora a encontrar moléculas nuevas que se peguen a ella, ya sea en el centro activo o en otras regiones que impidan su función. Los resultados iniciales han identificado una nueva molécula que en el universo virtual puede alojarse en FtsZ, y lo mismo que ocurrió con la predicción anterior, al sintetizar el compuesto químico se ha comprobado que lo hace también en el mundo real.

Lo mismo que FtsZ, se pueden estudiar otras proteínas, como la llamada Ras-P21, implicada en cáncer, o la FoF1-ATPasa, el generador de energía de nuestras células. Así, lo que comenzó como un conjunto de píxeles en una pantalla puede ser el día de mañana la pastilla que nos libre de una infección mortal o que ayude a curar el cáncer. Y ello gracias al trabajo que iniciaron Karplus, Levitt y Warshel en los años 70.

AGRADECIMIENTOS: el trabajo conjunto entre los grupos de los autores ha sido financiado por un proyecto de la Comisión Europea, DIVINOCELL.

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Comentarios

pueden confirmar que el proyecto DIVINOCELL ha financiado este trabajo conjunto??

Si dejasen jugar a los chavales coreanos al juego ese se avanzaría más rápido. Son los mejores con los videojuegos.

Si estos logaritmos creados, además de ser muy educativos para la enseñanza, permiten CREAR combinaciones bioquímicas virtuales aplicables a las tecnologías y la química industrial, pues estamos a las puertas del destape del interés por esa ciencia, al mismo o mayor nivel que cuando se popularizaron las aplicaciones cibernéticas y compuacionales. Dicho en términos práticos, será posible crear detergentes de base de tensiles que no polucionen. O quesos sin grasas. O carnes artificiales basadas en vegetales. Pues tengo que asegurarlo, el Karolinska Institutet no está loco del todo recomendando el Premio Nobel de Química 2013 a estos profesores que se han bajado de la torre de marfil.

Respuesta a “ivan”
Hola,
los detalles de los participantes en DIVINOCELL están en:
http://www.cnb.csic.es/~divinocell/partners.php
Saludos
Miguel

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