Moléculas a reacción

Blog de divulgación del Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea

¿Por qué han recibido Karplus, Levitt y Warshel el Nobel de Química?

(José Ignacio García Laureiro, ISQCH)

La noticia de la concesión del Premio Nobel de Química es quizá la única en la que la palabra “química” aparece en un contexto positivo en los medios de comunicación. Eso es porque en tiempos de Alfred Nobel, que, por cierto, era químico entre otras cosas, se pensaba que los avances de la química eran beneficiosos para la sociedad. Incluso después de que el invento más popular de Nobel, la dinamita, se empleara con fines bélicos. Los beneficios eran incomparablemente mejores que los perjuicios. Hoy en día, la química sigue desempeñando ese mismo papel, pero, sin embargo, la percepción social de la misma es de lo más negativa, de forma que el mismo empleo de la palabra tiende a ser evitado en contextos positivos (tenemos en la Universidad de Zaragoza un Doctorado en Ciencia Analítica, que no en Química Analítica), mientras que es potenciado en los negativos (este pan de molde no lleva nada de química, oiga). Así pues, los químicos esperamos ilusionados la concesión anual de “nuestro” premio Nobel, porque ese día la química vuelve a recuperar la relevancia que merece a nivel social.

Claro, luego viene la pregunta: pero, ¿por qué lo han recibido exactamente? Leer la corta frase justificativa que acompaña al anuncio rara vez es aclaratorio para el común de los mortales. La de este año es: por el desarrollo de modelos multiescala para sistemas químicos complejos.” ¡Toma ya! Pero si casi ni yo lo entiendo, y eso que los he empleado en alguno de mis trabajos de investigación… Vamos a intentar, pues, en este post, explicar brevemente a qué se refiere la Real Academia Sueca de Ciencias con la frasecita en cuestión y qué importancia tiene este trabajo en la química actual. Será un poco largo, pero espero que os merezca la pena el tiempo dedicado a leerlo.

En su día publiqué un post explicando lo que es la química computacional, y entonces comparaba la capacidad de predecir el comportamiento de sistemas químicos mediante el empleo de ordenadores con la capacidad de predecir el tiempo. Los meteorólogos utilizan también superordenadores para poder hacer previsiones fiables. Pero no solo es importante disponer de superordenadores; también es fundamental disponer de un buen modelo matemático del comportamiento de la atmósfera. Sin este modelo las previsiones serían malas, no importa lo potente que fuera el superordenador utilizado. En el caso de la química, la situación es hasta cierto punto similar. Necesitamos buenos modelos matemáticos del comportamiento de las moléculas, que puedan ser tratados dentro de un ordenador para obtener “predicciones” de su comportamiento bajo distintas condiciones (en reposo, bajo la influencia de la luz, en presencia de otras moléculas con las que puede reaccionar, etc…).

Newton y el gato de Schrödinger: la mecánica clásica se reconcilia con la cuántica en el premio Nobel de química de este año

Newton y el gato de Schrödinger: la mecánica clásica se reconcilia con la cuántica en el premio Nobel de química de este año

Podríamos pensar que esos modelos van siendo perfeccionados poco a poco, de forma que cada vez utilizamos modelos más sofisticados en nuestros trabajos teóricos. Bueno, en parte es así, pero no es ni mucho menos lo habitual. Todavía hoy se realizan muy buenos trabajos de química computacional con modelos muy antiguos, que sabemos que son conceptualmente falsos, aunque funcionan muy bien. En cierto modo, la situación es similar a la que se produce en física con las Leyes de Newton. En la actualidad, tanto la Teoría de la Relatividad de Einstein como las ecuaciones de la Mecánica Cuántica, desarrolladas entre otros por Schrödinger, han demostrado que las Leyes de Newton son falsas, en el sentido de que no explican la totalidad del comportamiento de nuestro mundo. Sin embargo, seguimos utilizándolas con éxito para predecir el comportamiento de la mayoría de los sistemas físicos con los que interaccionamos: coches, aviones, edificios, puentes, pelotas de tenis…

Molécula de oxígeno

La molécula de oxígeno vista con ojos “clásicos”

Volviendo a los modelos químicos, en muchos aspectos las moléculas pueden considerarse como un conjunto de bolas (los átomos) y muelles (los enlaces). De esta forma, su comportamiento puede calcularse con las ecuaciones de la mecánica clásica, que se derivan de las propias Leyes de Newton. ¿Quién no ha sufrido en el colegio con esos endiablados problemas de mecánica en la que dos masas unidas a un muelle giraban sobre el centro de masas del sistema mientras se acercaban y alejaban con un movimiento vibratorio? Pues una molécula de oxígeno, por ejemplo, se comporta esencialmente igual. Podemos ser incluso menos exigentes. ¿Qué pasa con el disolvente?, por ejemplo. Si imaginamos una molécula de glucosa disuelta en agua, deberíamos considerar, además del comportamiento de la propia molécula de glucosa, el de las miles o millones de moléculas de agua que la están rodeando e interaccionando con ella. ¡Menudo trabajo calcular todo eso! Pero, para ciertas propiedades, podemos considerar que el disolvente no es sino una perturbación eléctrica alrededor de la molécula de glucosa (aquí os tendría que recordar de nuevo esos bonitos problemas de electricidad del colegio, en los que entre las placas de un condensador se introducía un material dieléctrico, pero no quiero traumatizaros más por hoy). Entonces, basta con añadir una sencilla ecuación para estimar de una tacada el efecto de esas miles o millones de moléculas. ¡Eso sí que es un modelo simplificado!

Miles de moléculas de disolvente son sustituidas por una simple constante dieléctrica

Miles de moléculas de disolvente son sustituidas por una simple constante dieléctrica

Tanto los modelos de mecánica molecular, que son los que tratan las moléculas como sistemas mecánicos de bolas y muelles, como los modelos “continuos” del disolvente, que son los que sustituyen las miles de moléculas por una ecuación eléctrica, se emplean habitualmente hoy en día en investigación, a pesar de que sabemos que son “falsos”. Pero no siempre podemos hacer este tipo de trampas impunemente. Hay comportamientos químicos que no podemos predecir utilizando modelos “clásicos”. Y son aquellos en los que se producen movimientos de electrones que implican cambios importantes de energía. Este tipo de movimientos suceden, por ejemplo, en las llamadas “excitaciones electrónicas” (no, no es lo que estáis pensando), en la que los electrones cambian de posición dentro de una molécula al ganar o ceder energía en forma de luz. Consecuencia de estos movimientos son fenómenos tan importantes como la fluorescencia, que se emplea en las bombillas de bajo consumo o en las pantallas LED. Otro tipo de movimiento de electrones todavía más importante es el que se produce cuando los enlaces químicos se forman o se rompen: es el corazón mismo de todas las reacciones químicas. ¿Por qué no nos valen los modelos “clásicos” en estos casos? Pues porque el electrón es una partícula elemental muy pequeña, cuyo comportamiento sólo puede calcularse mediante el empleo de las ecuaciones de la mecánica cuántica. Las leyes de Newton fallan miserablemente cuando se trata de predecir qué hará un electrón a continuación. Si queremos calcular el comportamiento de una reacción química con ordenadores necesitamos, inevitablemente, modelos del movimiento cuántico de los electrones. Pero, como os habréis imaginado ya, y si no os lo digo ahora, calcular algo químicamente interesante con este tipo de modelos requiere mucho más esfuerzo computacional que el que se emplea con los modelos “clásicos” anteriormente comentados. Por eso, hasta hace muy pocos años, el tamaño de los sistemas moleculares que podían calcularse con modelos cuánticos era muy limitado, lo que excluía sistemas tan relevantes como los biológicos: las proteínas tienen cientos de átomos y miles de electrones, por lo que calcular el comportamiento de una reacción enzimática parecía cosa de ciencia ficción.

La reacción enzimática calculada por Warshel y Levitt en 1976

La reacción enzimática calculada por Warshel y Levitt en 1976

¿Ciencia ficción? Si eso era así a comienzos de siglo, ¿qué pensaríais entonces si os digo que Levitt y Warshel ya intentaron realizar el cálculo de una reacción enzimática allá por 1976 siguiendo un método desarrollado por Karplus y Warshel en 1972? ¿Os acordáis de 1976? En mi caso, yo estaba en primero de carrera. El Apple II todavía no había aparecido (no hablemos de los PC), y los ordenadores eran enormes armarios con una ridícula capacidad de cálculo y poca memoria, ambas MUY ampliamente sobrepasadas por cualquier smartphone de los que llevamos hoy en día básicamente para jugar al Candy Crash y enviarnos caritas sonrientes por WhatsApp. ¿Qué habían ingerido KLW para plantearse semejante despropósito? Probablemente no lo sepamos nunca, porque se cuidarán mucho de decirlo en el discurso del acto de entrega del premio. Lo que sí sabemos es que fueron unos visionarios e idearon un astuto método que les permitió conseguir su propósito con los limitados medios computacionales de que disponían. Lo que hicieron fue descomponer el sistema en varias capas, como si de una cebolla se tratara, utilizando en cada capa el procedimiento más “barato” que produjera una predicción razonable del comportamiento. Así, para el “nucleo duro” del enzima donde se produce la reacción química (lo que se conoce como centro activo), no les quedó más remedio que emplear un “caro” método cuántico. Pero este núcleo consistía tan solo en unos pocos átomos, por lo que podía abordarse sin problemas. Para el resto de la molécula de proteína, utilizaron un método “clásico” de “mecánica molecular”, ya que en esa parte del enzima no se producen movimientos de electrones y puede considerarse como un sistema de bolas y muelles. Finalmente, para el disolvente que rodea al enzima y los reactivos, utilizaron un modelo dieléctrico. En total, tres capas de distinta complejidad: ya tenemos nuestro “modelo multiescala”.

Un modelo multiescala aplicado en una de nuestras investigaciones: los átomos que aparecen como esferas se calculan a nivel cuántico, y los que aparecen como palitos, a nivel newtoniano

Un modelo multiescala aplicado a una de nuestras investigaciones en catálisis: los átomos que aparecen como esferas se calculan a nivel cuántico, y los que aparecen como palitos, a nivel newtoniano

¿Y qué pasó a partir de entonces? Pues poco, muy poco, al principio. El artículo del que os hablo recibió relativamente pocas citas hasta mediados de los 90. Entonces, se duplicó de repente su popularidad, y a principios de este siglo, volvió a duplicarse. ¿A qué se debió esto? Pues a que a mediados de los 90 se empezó a disponer de ordenadores y software suficientemente potentes (y accesibles) para poder explorar a fondo el mundo de la química computacional. Además, otros autores contribuyeron con avances, tanto en los métodos cuánticos como en los “multiescala” o híbridos. De hecho, la mayor parte de los investigadores utilizamos hoy en día no el método desarrollado por KLW, sino el que desarrollaron Morokuma y Maseras (este último, español: un saludo desde aquí, Feliu)  —y que se llama precisamente ONIOM— cuyas aportaciones son reconocidas en el documento de anuncio de concesión del Nobel. Siempre existe cierta controversia en estas concesiones: que quién se lo merece más y quién menos. Lo que no se puede negar, como he dicho, es el carácter visionario de KLW y la elegante solución que encontraron para un problema que a todo el mundo se le antojaba imposible de resolver.

¿Y dónde nos encontramos ahora, 40 años después? Pues para que os hagáis una idea, espero poder convencer a otro investigador español (riojano por más señas), que pasó una temporada con nosotros en el ISQCH, y se encuentra actualmente en el exilio de UCLA, Gonzalo Jiménez-Osés, desarrollando “teozimas” (enzimas diseñados teóricamente), para que nos cuente su apasionante trabajo. ¡A ver si lo consigo!

= Este post participa en la XXVIII Edición del Carnaval de Química (Z = 28, Niquel) =

XXVIII Edición del Carnaval de Química (níquel)

Acerca de isqch

El Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (ISQCH) es un instituto de investigación química mixto entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Zaragoza.

8 comentarios el “¿Por qué han recibido Karplus, Levitt y Warshel el Nobel de Química?

  1. Jesús Martínez
    25/10/2013

    Querido José Ignacio, enhorabuena por tu entrada, que es clara y muy documentada. Quería sólo hacer un comentario, casi filosófico, a tu afirmación de que está demostrado “que las leyes de Newton son falsas”. Tengo claro lo que quieres decir, pero creo que has abusado un poco del lenguaje, y un lector no experto puede llegar a conclusiones equivocadas. Hay modelos científicos que se ha demostrado, con el tiempo, que eran falsos (la mecánica aristotélica, o la teoría del flogisto, por poner un par de ejemplos). No es ese el caso de la mecánica newtoniana, un modelo correcto y vigente en su nivel de aplicación y aproximación. El modelo fue superado, en cuanto a su ámbito de aplicación, por otros, pero no “falsado”. Al final, en Física no existen modelos exactos, sino niveles de aproximación aceptables, y la mecánica de Newton los ofrece, y mucho, mientras se trabaja con objetos macroscópicos y no demasiado rápidos. Un modelo falso difícilmente podría sustentar la mayoría de nuestra actual tecnología.

    Un saludo cordial,

    Jesús

    • jigarciaisqch
      25/10/2013

      Jesús, confieso que buscaba deliberadamente un efecto dramático al anunciar la “falsedad” de las leyes de Newton, que yo amo como el que más, ya que aferrado a ellas pude aprobar mi asignatura de Mecánica y Ondas de primero de carrera, allá por 1976… Habrás comprobado que inmediatamente después, he afirmado que las seguimos utilizando con éxito para la mayoría de nuestra experiencia con objetos macroscópicos. Asimismo, en otras partes del post, he utilizado la palabra “falso” entrecomillada.
      No obstante, y por entrar, como dices, en un nivel filosófico, si nos atenemos a los enunciados de Popper, la mecánica newtoniana ha sido falsada de hecho, ya que se han realizado distintos experimentos totalmente reproducibles (no singulares) que no pueden ser explicados por esa teoría, pero sí pueden serlo por la de la relatividad general. Lógicamente, eso no quiere decir que todas y cada una de las predicciones de la mecánica newtoniana sean falsas, pero sí que lo es la teoría en su conjunto. Al menos según el bueno de Karl.
      Otra visión filosófica sería la de Thomas Kuhn, que en su conocido, pero raras veces leído “La estructura de las revoluciones científicas” (es un rollo de mucho cuidado) utiliza profusamente el ejemplo de la mecánica newtoniana vs. la relatividad como ilustración de un cambio de paradigma. Especialmente interesante es su visión de que, al contrario de lo que suele decirse, la mecánica newtoniana no es un “subconjunto” de la relativista (es decir, las leyes de Newton no pueden deducirse como un caso particular de la Teoría de la Relatividad, incluso si las fórmulas matemáticas “casan”), porque la propia esencia de los elementos de la teoría cambia: en las leyes de Newton la masa es una magnitud constante, en la relatividad, no. De nuevo, los experimentos han demostrado una y otra vez que la segunda opción es la correcta, así que el paradigma relatividad se impone al newtoniano. Pero, también de nuevo, eso no quiere decir que tiremos a la basura el paradigma anterior: aún resulta muy útil a efectos prácticos. Quizá, si tenemos en cuenta que la cantidad de fenómenos relativistas en el universo es mucho menor que la de comportamientos newtonianos, podríamos invocar a ese otro gran filósofo de la ciencia, que es Mariano Rajoy, y decir: “Las leyes de Newton son ciertas, salvo alguna cosilla…”
      Pero, desgraciadamente, los males no terminan aquí. No solo los objetos que se mueven a “velocidades relativistas” o los que se encuentran bajo influjos de campos gravitatorios inmensos se comportan de manera “no newtoniana”. También tenemos todos los que se encuentran en el nivel cuántico, y no podemos hacer como que no los vemos (¡aunque, de hecho, no los veamos!), porque constituyen toda la materia del universo. Dices que sin las leyes de Newton no podríamos sustentar la mayoría de nuestra actual tecnología. ¿Y qué me dices de la teoría cuántica? ¿Tendríamos transistores, chips, ordenadores, teléfonos móviles, satélites de comunicaciones, láseres y un larguísimo etcétera sin esa teoría? Y podemos ir aún más allá: si los fermiones no cumplieran el principio de exclusión de Pauli, ni siquiera habría elementos químicos. ¿Qué sería entonces de nuestra tecnología? Bueno, mejor dicho, ¿de nosotros mismos?
      Desgraciadamente, dado que Stephen Hawking ha declarado recientemente su abandono de la búsqueda de una teoría unificadora, tendremos que seguir esperando para saber a dónde nos lleva todo esto… Un placer tener comentarios como el tuyo, que me permiten divagar de esta manera. ¡Gracias, Jesús!

      • Jesús Martínez
        29/10/2013

        Hola, José Ignacio, gracias por tu extensa respuesta. El debate que has planteado, con mucha precisión, da para mucho, y seguramente deberemos dejarlo para otro ámbito distinto que este blog. Sólo quería comentarte que yo no comparto esa visión tan positivista de la ciencia: creo que los modelos científicos dan para lo que dan: realizar predicciones a un cierto nivel de aproximación, dentro de unas suposiciones de principio siempre limitadas. La falsación popperiana, que supone que hay teorías “ciertas” en función de una suposición sobre el realismo de la ciencia muy discutible, para mi conlleva un posicionamiento filosófico que no comparto en absoluto. Te pondré un par de ejemplos: la Relatividad, que según dices, ha dejado como falsa la mecánica newtoniana, sólo permite describir objetos puntuales: no muy pequeñitos, sino puntos matemáticos, cuya densidad sería infinita. También es completamente incompatible con el entrecruzamiento cuántico, que hoy en día es un experimento bastante convencional en Física. No creo que estos detalles hagan “falsa” la Relatividad, una teoría, dentro de su ámbito y sus suposiciones de partida, que funciona muy bien. Lo mismo ocurre con la Mecánica Cuántica, cuya descripción del proceso de observación y medida está sin resolver. Aparte de que, debido a su complicación, apenas puede dar soluciones exactas a ningún problema real. En resumen, mi visión es que sí un modelo presenta coherencia interna, delimita correctamente su ámbito de aplicación, y es capaz de dar predicciones correctas dentro del nivel de aproximación que se requiere, no es razonable calificarla de “falsa” sólo porque nos gustaría que la ciencia pudiese suministrar verdades absolutas, algo que nadie a podido probar que ocurra o vaya a ocurrir. Con esto, por supuesto, no pretendo desprestigiar la Física Moderna, faltaría más, ni despreciar las tecnologías basadas en ellas. Como digo, un debate interesante, pero tal vez un poco sofisticado. En todo caso, gracias por tus explicaciones y tu atención, un saludo cordial.

        Jesús

      • jigarciaisqch
        29/10/2013

        Hola, Jesús. Ya has comprobado mi incontinencia verbal, jeje… Recojo tu propuesta para continuar el debate en otro momento, aunque me temo que estamos de acuerdo en más cosas de las que diferimos. El “problema” es que nos pasamos al plano filosófico, en el cual podemos divagar y divagar. Pero en cuanto volvemos a nuestro plano científico, las cosas están mucho más claras. En cierto modo, tu último comentario, con referencias al positivismo, me ha recordado la amarga queja de Steven Weinberg en el capítulo de su libro “El sueño de una teoría final” titulado “Contra la filosofía”, donde repasa todo el daño que ésta ha causado a la ciencia. En particular, hace un análisis de la rémora que supuso el positivismo en determinado momento, a caballo entre los siglos XIX y XX. Yo creo que si prescindimos de conceptos filosóficos, como “verdad” (y yo fui el primero en emplearlo, lo reconozco), y lo sustituimos por “validez”, los problemas se diluyen rápidamente. Por tomar un ejemplo de los premios Nobel de este año, los químicos somos conscientes de que las moléculas no son “de verdad” un conjunto de masas y muelles pequeñitos, pero, a cierto nivel, es “válido” describirlas así, y las respuestas que nos proporciona ese modelo son asimismo perfectamente válidas y contrastables experimentalmente. Dicho esto, seguro que también coincidimos en el poder de los experimentos como herramientas para contrastar y “falsar” modelos y teorías, positivismo aparte. Sin salir de los premios Nobel de este año, ¿lo hubiera conseguido Higgs sin los experimentos con el LHC del CERN? Compárese con los concedidos en Economía, donde se han premiado dos teorías contrapuestas A LA VEZ… ¡Menuda “ciencia”…! Gracias de nuevo por tus aportaciones y comentarios, que espero que se repitan en el futuro. Si hace falta, volveré a ser provocador…😉

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