M. Karplus, M. Levitt y A. Warshel recibirán el Premio Nobel de Química por desarrollar modelos de reacciones químicas

2013/10/09 Carton Virto, Eider - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Martin Karplus, Michael Levitt y Arieh Warshel son los Premios Nobel de Química 2013, según la Fundación Nobel, “por el desarrollo de las vías para poner en buen funcionamiento la física clásica de Newton y la física cuántica radicalmente diferente”.

Los tres premiados han trabajado en el desarrollo de programas de simulación por ordenador de reacciones químicas. En la actualidad, estos programas son una herramienta habitual en los laboratorios de química, mediante la cual se simulan todo tipo de reacciones y procesos químicos, industriales y biológicos. Estos programas son el resultado del revolucionario trabajo realizado por Karplus, Levitt y Warshel en los años 70.

La revolución fue unificar la física clásica y la física cuántica en un mismo programa. Y es que hasta entonces, o bien se basaban en la física clásica, o bien los químicos debían elegir programas basados en la física cuántica. Y cada uno tenía sus ventajas y limitaciones.

Los que se basaban en la física clásica tenían capacidad para calcular y procesar grandes moléculas, eran buenos para representar cómo se colocan los átomos en las moléculas, pero no se podían utilizar para representar y calcular reacciones químicas, ya que la escala de la reacción química es el campo de la física cuántica. Para representar las reacciones químicas en el ordenador, los químicos debían recurrir a programas basados en la teoría de la física cuántica, donde la limitación era la capacidad computacional. De hecho, el ordenador debía procesar todos los electrones y núcleos atómicos de la molécula, lo que, en la década de 1970, suponía en la práctica que sólo podían simular por ordenador moléculas muy pequeñas.

Lo mejor de dos mundos

Karplus, Levitte y Warshel recogieron en un solo programa lo mejor de dos mundos. El resultado fue publicado en 1976: el programa aplicaba modelos de física cuántica en el área activa de la molécula, donde se produce la reacción química, y los modelos de física clásica en los campos de la molécula no activos. Así, con un tiempo razonable y una capacidad computacional, se abrió la posibilidad de simular reacciones y procesos químicos en el ordenador.

La física clásica y la física cuántica se encuentran en la Universidad de Harvard en 1970, cuando Levitt, recién terminada su tesis doctoral, se traslada de Israel a Estados Unidos y comienza en el laboratorio de Karplus. El equipo de Karplus había desarrollado programas de ordenador basados en física cuántica para simular reacciones químicas. Levitt, por su parte, desarrolló en Israel un programa basado en la física clásica, capaz de modelar todo tipo de moléculas, junto con el tercer premiado Warshel, y también las moléculas biológicas más grandes.

Entre 1970 y 1972 trabajaron conjuntamente Karplus y Levitt, tomando como modelo la molécula retinal de la retina (una variante de la vitamina A). Una característica de esta molécula es que tiene electrones libres, que no están unidos a un determinado átomo y que son libres para moverse por la molécula. Precisamente cuando la luz incide sobre la retina, estos electrones absorben energía y su aspecto cambia. Tomando como modelo esta molécula, Karplus y Levitt desarrollaron un programa totalmente innovador: el programa aplicaba modelos de física cuántica para hacer cálculos sobre los electrones libres y el de física clásica para hacer los de todos los demás electrones y núcleos. Por primera vez, los dos mundos se reunieron en un único programa eficaz. Era un programa pionero en el manejo de moléculas con simetría de espejos.

El siguiente paso, y el definitivo, coincidió con Levitte y Warshel, tras reencontrarse en Cambridge en 1972. Se analizaron las enzimas, las causas de las reacciones químicas que se producen en los seres vivos y se persiguió el objetivo en 1976: publicaron el primer modelo de ordenador de una reacción enzimática. Y el programa desarrollado para ello era universal, es decir, para cualquier tipo de molécula.

Sus sucesores son los que se utilizan en la actualidad. Y el camino no ha terminado. Levitte tiene un sueño, “poder simular por ordenador a un ser vivo a nivel molecular”.--> Leer la entrevista realizada por Guillermo Roa de Elhuyar en 2000 a Martin Karplus