El Nobel de Química y los ‘legos’

Una característica esencial del ser humano es su afán por comprender el mundo que lo rodea. Por ello, desde su niñez escudriña cualquier objeto mínimamente complejo, incluyendo sus juguetes, y llega a romperlos si es preciso. Al desmontar el juguete en las piezas que lo componen busca inconscientemente entender el comportamiento del todo mediante el conocimiento de sus partes. Esta curiosidad ha sido explotada con éxito en la industria de juguetes tipo lego. Una aproximación similar es la que se emplea cuando intentamos comprender las propiedades de las sustancias y su evolución cuando tiene lugar una reacción química.

Las primeras dificultades surgen porque las piezas clave de los sistemas químicos son las moléculas, los átomos, los núcleos y los electrones, entes de un tamaño tan pequeño que escapan a nuestra observación directa. Pero lo que entraña mayores dificultades para su análisis no es su “invisibilidad”, sino que estos entes pobladores del mundo microscópico se comportan de una forma que no tiene ninguna analogía con lo que observamos en el mundo macroscópico, que es el que somos capaces de aprehender con nuestros sentidos.

Encontrar las leyes que rigen el mundo microscópico fue un reto gigantesco para la ciencia, que no se resolvió hasta que, a principios del siglo XX, un conjunto de científicos, principalmente físicos, establecieron los principios de la mecánica cuántica. Solo a partir de entonces pudimos empezar a comprender el comportamiento de los sistemas microscópicos.

La organización de las partículas

Sin embargo, las dificultades no acababan aquí, ya que para describir de forma correcta los sistemas químicos era preciso tener en cuenta además que su número era elevadísimo, requerimiento esencial para que formaran los sistemas macroscópicos que conforman el mundo que percibimos con nuestros sentidos. Esto planteaba un nuevo reto para la ciencia: encontrar las leyes que regularan la organización del número inmenso de partículas, que se acoplaban para formar los objetos macroscópicos. Esto se resolvió a principios del siglo XX con la introducción de la mecánica estadística, herramienta imprescindible junto con la mecánica cuántica, para comprender los sistemas químicos partiendo de su composición íntima. No obstante, a pesar de disponer de las herramientas, en la época de su formulación a comienzos de la década de los 30, no pudieron abordarse los estudios que hacían uso de ambas, porque no había forma de hacer los complejos cálculos requeridos.

A finales de los años 60 y principios de los 70 se empezaron a construir ordenadores cuyas potencias de cálculo eran inimaginables cuando se desarrollaron la mecánica cuántica y la mecánica estadística. En este período los científicos recién galardonados con el premio Nobel de Química 2013 comenzaron a realizar su trabajo en el campo de la modelización molecular y la química computacional que incluía tanto metodología como programas de cálculo. Desarrollaron lo que hoy se conoce como “métodos híbridos” porque permiten estudiar los problemas utilizando simultáneamente la mecánica cuántica para describir en detalle la parte central del problema a escala molecular, y métodos de mecánica estadística y mecánica clásica para describir el “entorno”.

Este actor llamado “entorno”, que en principio no es más que un secundario, representa una parte esencial del problema. Así por ejemplo, biomoléculas tan importantes como las enzimas o las proteínas desempeñan su función siempre y cuando estén en un fluido biológico, es decir, en un entorno. Es el caso de la hemoglobina, proteína esencial para la respiración, cuyas propiedades y funcionalidad solo pueden entenderse cuando actúa en el plasma sanguíneo, su entorno natural. Con el empleo de los métodos híbridos, los galardonados con el Nobel de Química de este año han abierto el camino que ha permitido tomar lo imprescindible de los dos mundos, el microscópico y el macroscópico. De esta forma han obtenido una imagen a escala atómica del comportamiento de los sistemas químicos y bioquímicos. Ello ha hecho posible estudiar a nivel molecular procesos tan importantes como la visión, mediante el estudio pionero que Karplus y Warshell hicieron sobre el retinal; o de Levitt y Warshell sobre el ADN.

Las aportaciones de los galardonados al establecimiento de métodos híbridos cuántico-estadísticos han abierto un importantísimo campo de trabajo en la química computacional, que está llevando a la química teórica a alcanzar unas capacidades de modelado cada vez más asombrosas cuyos resultados son una fuente de inspiración para la química y bioquímica experimental. Por ese motivo, la Academia Sueca de Ciencias ha decidido otorgarles el Premio Nobel de Química 2013 a los investigadores M. Levitt, A. Warshell y M. Karplus.

— Enrique Sánchez Marcos, Catedrático de Química Física, Universidad de Sevilla