El sueño de calcular estructuras complejas como las proteínas

Este año el Premio Nobel de Química ha recaído en dos figuras señeras de la Química Cuántica: John A. Pople y Walter Kohn. Los fundamentos de la química cuántica se establecen a principios del siglo XX, en un esfuerzo por llegar a formular las leyes que gobiernan la estabilidad de los átomos y de entender por qué los átomos tienden a unirse entre sí para dar agregados más estables que conocemos como moléculas. A ello se añadía la necesidad de explicar y/o predecir qué forma tienen estas moléculas y, por ende, qué propiedades presentan, tales como polaridad, paramagnetismo o capacidad para reaccionar con otras moléculas y producir nuevos compuestos. La química cuántica permitió, además, entender cómo se produce la luz y cómo ésta interacciona con la materia. De hecho es el comportamiento cuántico de la materia el responsable de que los átomos y las moléculas emitan o absorban luz. También es esencialmente cuántica la base física de la Resonancia Magnética Nuclear, cuyo fundamento teórico es una de las contribuciones más significativas de John A. Pople en los años cincuenta. Con el devenir del tiempo esta técnica se aplicaría en campos tan diversos como la química, la física, la bioquímica o la medicina.

Sin embargo, el formalismo matemático de la Química Cuántica, aunque riguroso, es extraordinariamente complicado, con el agravante de que dicha complejidad aumenta dramáticamente con el número de partículas del sistema, lo que limita seriamente su aplicabilidad general. De hecho, durante mucho tiempo sólo moléculas muy sencillas y con un grado de precisión no muy elevado, se pudieron tratar con esta metodología.

El desarrollo de ordenadores cada vez más potentes y rápidos cambió por completo este panorama. Grupos de químicos cuánticos, entre los que Pople siempre fue pionero, comenzaron a desarrollar programas de cálculo capaces de resolver las complicadas ecuaciones de la química cuántica en tiempos razonables. Ello requería un profundo conocimiento de la teoría de funciones y el manejo de eficaces algoritmos de cálculo, y quizá por ello Pople, dada su formación eminentemente matemática, fue desde el principio uno de los líderes indiscutibles de este proceso.

Primer programa

El primer programa de cálculo elaborado por Pople y su grupo, libre de apriorismos, el Gaussian-70, estuvo a disposición de la comunidad científica a principios de los años setenta. El número de artículos científicos en los que, usando las técnicas de la química cuántica, se discutía la estabilidad relativa de compuestos poco estables y su forma más probable o en los que se proponían modelos teóricos para explicar el comportamiento de diferentes familias de compuestos químicos empezaron a aumentar de un modo significativo. A lo largo de los años ochenta hubo un esfuerzo continuado por refinar los modelos de la química cuántica para que su precisión y, por consiguiente, su valor predictivo fuese cada vez mayor. Y en esta tarea, de nuevo, el trabajo de Pople fue pionero. Él fue el primero en desarrollar y programar algoritmos capaces de dar cuenta de efectos físicos cada vez más finos y alcanzar así una precisión comparable a la de las técnicas experimentales. Se iniciaba una era en la que las estructuras moleculares que predecía la química cuántica estaban en perfecto acuerdo con las estructuras que se deducían usando los métodos experimentales más precisos, como la espectroscopia de microondas. Incluso en aquellos casos en los que había discrepancia entre la asignación experimental y la predicción teórica, la revisión de los resultados solía decantarse en favor de la última.

La década de los noventa asiste a una auténtica eclosión de los cálculos teóricos. A ello contribuyen, en no poca medida, las contribuciones del otro laureado, Walter Kohn, que había establecido, con anterioridad, las bases de un formalismo alternativo, conocido como teoría del funcional de la densidad, capaz de dar respuestas comparables a las obtenidas por los métodos tradicionales de la química cuántica, pero con un esfuerzo computacional significativamente menor. El sueño de muchos cuánticos, poder calcular estructuras tan complejas como las de las proteínas, en las que los átomos se cuentan por cientos o incluso por miles, empezaba a ser alcanzable.

Hoy día la química computacional es un complemento imprescindible de cualquier trabajo experimental en química. Uno puede predecir la posible actividad de un fármaco antes de sintetizarlo, ahorrando esfuerzos y reduciendo costes. Es posible predecir las propiedades de componentes de la alta atmósfera o del espacio interestelar imposibles de ser estudiadas experimentalmente dada su baja estabilidad. Es posible entender cómo una molécula absorbe o emite luz, es decir, sus espectros de microondas, de infrarrojo o de visible y ultravioleta, así como su fluorescencia o fosforescencia. Se puede llegar a entender el mecanismo de acción de un catalizador y diseñar nuevos catalizadores.

Espacio interestelar

Las nuevas técnicas de la química cuántica permiten modelizar el espectro de resonancia magnética de una molécula o establecer modelos que permitan explorar cómo se forma el smog que contamina nuestras ciudades, o cómo se forman las moléculas que pueblan el espacio interestelar. Es posible, en fin, predecir nuevas estructuras moleculares que parecen violar las ideas más clásicas de la Química y luego llegar a sintetizarlas. Los últimos años de este siglo han asistido, pues, al afloramiento de la química computacional como una herramienta imprescindible para entender y desarrollar la química moderna, cuya capacidad de predicción seguirá asombrándonos durante mucho tiempo todavía, gracias al esfuerzo, entre otros, de figuras de la talla de Pople y Kohn. A Pople le adorna además una cualidad especial que los que hemos tenido el privilegio de trabajar con él podíamos apreciar casi cotidianamente: su facilidad para reducir a los términos más simples y sencillos los conceptos o las ideas más complicadas. Sus artículos han legado a la química un buen número de modelos, extraídos de un complejo formalismo, capaces de explicar, en términos fácilmente comprensibles por los no expertos, la base física de muchas propiedades moleculares, lo que convierte a este científico en uno de los gigantes de la segunda mitad de este siglo, sobre cuyos hombros se aúpa un amplio colectivo de hombres de ciencia.