Es dif\u00edcil estudiar el comportamiento de las mol\u00e9culas en fase l\u00edquida o en soluci\u00f3n, aun cuando \u00e9ste es el h\u00e1bitat natural de las mismas, en el cual se concretan los procesos vitales -la formaci\u00f3n de prote\u00ednas, de ADN y de las membranas celulares, por ejemplo. El problema reside en que, cuando se pone una sustancia dentro de solventes comunes, como el agua y la acetona, \u00e9sta sufre una alteraci\u00f3n de sus propiedades y pasa a interactuar, a ‘conversar’ con esos medios. Aquiere forma una especie de baile, un movimiento constante que genera una cantidad enorme de im\u00e1genes que deben evaluarse. \u00bfCu\u00e1les de esas im\u00e1genes deben observarse?<\/p>\n
Vali\u00e9ndose de simulaciones en computadora y m\u00e9todos multidisciplinarios, el grupo de Ciencias Moleculares del Instituto de F\u00edsica de la Universidad de S\u00e3o Paulo (Ifusp) responde a esa pregunta con resultados que podr\u00e1n hacer avanzar procesos industriales, especialmente aqu\u00e9llos relacionados con medicamentos y cosm\u00e9ticos. Los investigadores concluyeron, en primer lugar, que quienes observan la sustancia aislada y luego sumergida en l\u00edquidos, observan dos situaciones completamente distintas. Las investigaciones ayudan a comprender mejor los desv\u00edos de comportamiento de las mol\u00e9culas. Durante casi cinco a\u00f1os, el grupo analiz\u00f3 el comportamiento de unas 20 sustancias. “Nuestra aplicaci\u00f3n m\u00e1s reciente fue con betacaroteno: la interacci\u00f3n de \u00e9ste con los solventes es especial”, afirma Sylvio Canuto, coordinador del equipo.<\/p>\n
Calor y ritmo Con todo, esa \u00faltima caracter\u00edstica solamente se manifiesta cuando el betacaroteno es analizado aisladamente. En el l\u00edquido el cuadro cambia, pues la densidad es alta y el movimiento es intenso. En la disputa por espacios, constantemente provocada por la presencia del solvente, el caroteno responde a los est\u00edmulos desarrollando una polaridad inducida: pasa a interactuar con las mol\u00e9culas del l\u00edquido, principalmente aqu\u00e9llas que se encuentran m\u00e1s cerca. Ese baile puede ser comparable a un bolero, al samba o al rock pesado, dependiendo de la temperatura. Denominada fuerza de Van der Waals, \u00e9sta es una interacci\u00f3n que determina cambios en los niveles de energ\u00eda -las capas u \u00f3rbitas en donde se distribuyen los electrones. En su forma aislada, la mol\u00e9cula de caroteno tiene niveles de energ\u00eda hipot\u00e9ticos A, B y C; en el solvente, esos niveles cambian para A1, B1 y C1.<\/p>\n Quien determine cu\u00e1les son esos nuevos niveles tambi\u00e9n podr\u00e1 definir con precisi\u00f3n la cantidad de energ\u00eda que los electrones deben absorber para saltar de una franja a otra. En el caso del caroteno, los investigadores apuntaron los valores de la energ\u00eda de la primera banda de absorci\u00f3n en los cuatro solventes en los cuales \u00e9ste fue evaluado: metanol, isopentano, acetona y acetonitrila.”Los resultados que obtuvimos est\u00e1n en plena concordancia con los trabajos experimentales”, afirma Kaline Coutinho, profesora de la Universidad de Mogi das Cruzes, que participa del grupo. “Hasta ahora, ning\u00fan otro m\u00e9todo hab\u00eda logrado hacer esos c\u00e1lculos de manera tan precisa como el nuestro.”<\/p>\n Canuto tambi\u00e9n celebra: “Ahora contamos con un modelo seguro y confiable de an\u00e1lisis, que puede aplicarse a otras mol\u00e9culas con propiedades similares”. Los estudios se encuentran en una fase inicial, de observar para comprender qu\u00e9 sucede, pero a largo plazo, el an\u00e1lisis del comportamiento de las mol\u00e9culas en l\u00edquidos brindar\u00eda grandes contribuciones para las industrias de medicamentos y cosm\u00e9ticos, entre otras. Por ejemplo: en la s\u00edntesis de remedios con la perspectiva de interferir en su composici\u00f3n, para eliminar posibles efectos o reacciones colaterales indeseables. Lo propio vale para los productos cosm\u00e9ticos.<\/p>\n RPG y casinos Los programas computacionales que el grupo desarroll\u00f3 constituyen el instrumento de observaci\u00f3n de las mol\u00e9culas y garantizan una visi\u00f3n del conjunto ca\u00f3tico que se manifiesta. Por medio de las fotograf\u00edas que producen, se puede conocer la distancia entre los \u00e1tomos, las modificaciones que ocurren en los niveles de energ\u00eda, la cantidad de capas de mol\u00e9culas y de qu\u00e9 modo \u00e9stas se mecen, adem\u00e1s de obtener datos estad\u00edsticos y gr\u00e1ficos de cada simulaci\u00f3n.<\/p>\n Cuentas dif\u00edciles La intersecci\u00f3n entre comportamiento estad\u00edstico y multidisciplinariedad gener\u00f3 un desaf\u00edo crucial: si por causa de los solventes se generan millones de escenas y configuraciones, \u00bfc\u00f3mo efectuar c\u00e1lculos cu\u00e1nticos, que demoran semanas? En caso de que no resolvieran ese dilema, los f\u00edsicos estar\u00edan en una situaci\u00f3n inviable, debido a la cantidad de informaciones obtenidas y al tiempo necesario para evaluarlas. La respuesta que quer\u00edan emergi\u00f3 del an\u00e1lisis estad\u00edstico de los datos, que selecciona tan solo las im\u00e1genes relevantes, generadas a partir de la t\u00e9cnica denominada Montecarlo -una referencia a la ciudad de los casinos, en donde la probabilidad dicta las reglas. La selecci\u00f3n de los mejores momentos asegura una ganancia enorme de tiempo, sin p\u00e9rdida de calidad o de confianza en los resultados.<\/p>\n Un ejemplo: en el caso de otra mol\u00e9cula estudiada, el benceno, los investigadores efectuaron los c\u00e1lculos con 10 mil configuraciones moleculares y luego los repitieron usando apenas 40 de \u00e9stas. “Los resultados fueron los mismos”, asegura Canuto. De este modo, las simulaciones se volvieron mucho m\u00e1s \u00e1giles -un c\u00e1lculo que a comienzos de la d\u00e9cada del 90 demoraba hasta 40 horas, ahora puede estar listo en menos de un minuto.<\/p>\n El grupo observ\u00f3 y detall\u00f3 otro fen\u00f3meno que ocurre con algunas sustancias: el efecto hidrof\u00f3bico, o la incapacidad de ciertas mol\u00e9culas de mezclarse con el agua. En ese caso, trabajaron con benceno y desarrollaron un modelo que sirve para otras mol\u00e9culas hidr\u00f3fobas. El benceno, tambi\u00e9n un hidrocarburo, formado por seis \u00e1tomos de hidr\u00f3geno y seis de carbono unidos en forma de hex\u00e1gono, es utilizado a gran escala en la producci\u00f3n de resinas, pl\u00e1sticos, lubricantes y detergentes, entre otros productos, adem\u00e1s de ser adicionado al gasoil y a la gasolina para mejorar sus caracter\u00edsticas.<\/p>\n En este caso, el grupo dividi\u00f3 el proceso de observaci\u00f3n en dos etapas. Primero analiz\u00f3 las interacciones en la fase gaseosa, en dos situaciones distintas: la primera situaci\u00f3n incluy\u00f3 una mol\u00e9cula de agua y otra de benceno; en la segunda, se usaron dos mol\u00e9culas de benceno. Los investigadores fueron anotando lo que ocurr\u00eda, sin que se diera a\u00fan la interferencia del l\u00edquido, para luego establecer las comparaciones y ver qu\u00e9 era lo que cambiaba.<\/p>\n En la segunda etapa, evaluaron una y despu\u00e9s dos mol\u00e9culas de benceno, envueltas por 400 mol\u00e9culas de agua. En ambos casos, se observ\u00f3 que, en la regi\u00f3n m\u00e1s cercana al benceno, se form\u00f3 una jaula de protecci\u00f3n, denominada clatrato. Constituida por mol\u00e9culas de agua conectadas por uniones de hidr\u00f3geno, esa c\u00e1psula de aislamiento impide la interacci\u00f3n entre los medios. Es la manifestaci\u00f3n evidente del efecto hidrof\u00f3bico. Canuto revela: “Comparada con la fase gaseosa, la interacci\u00f3n entre el benceno y el agua, cuando se mezclan, se redujo en un 80%.<\/p>\n Por otro lado, percibimos que la interacci\u00f3n entre los bencenos en el clatrato es tres veces mayor que la verificada en el gas y dos veces mayor que la que existe en un l\u00edquido formado puramente por bencenos”.En t\u00e9rminos m\u00e1s sencillos, es posible afirmar que, en presencia de agua, las mol\u00e9culas de benceno prefieren fortalecer sus relaciones y conversar entre s\u00ed, dejando al resto de lado -y lo propio sucede con el agua. Ya que las dos partes no manifiestan inter\u00e9s en establecer un di\u00e1logo, surge el efecto hidrof\u00f3bico. “Logramos cuantificar algunos de sus aspectos”, agrega Canuto. Los estudios desarrollados por el grupo entre 1999 y 2002 originaron 27 art\u00edculos en revistas internacionales y 11 tesis de maestr\u00eda, doctorado o proyectos de iniciaci\u00f3n cient\u00edfica.<\/p>\n Sin ensayo y error Para Canuto, las asociaciones con las industrias qu\u00edmica y farmac\u00e9utica ser\u00edan bienvenidas, principalmente porque, actualmente, en funci\u00f3n de los conocimientos y de la capacidad desarrollada, la universidad puede establecer una relaci\u00f3n estable y sim\u00e9trica – y no de dependencia. Al fin y al cabo, se est\u00e1 haciendo cada vez m\u00e1s viable la idea de proyectar mol\u00e9culas que asuman determinados comportamientos, eliminando costos y potencializando beneficios.Kaline Coutinho recuerda que ya se est\u00e1n realizando experiencias con diversos solventes, hasta llegar a lo correcto para cada tipo de situaci\u00f3n. “Todav\u00eda se prueba una y otra vez hasta llegar a lo ideal”, comenta la investigadora. Pero no es as\u00ed que se pretende trabajar. “Podremos eliminar ese m\u00e9todo de ensayo y error e invertir de sentido las manos, apuntando el mejor tipo de solvente para cada objetivo.”<\/p>\n Modelado No obstante, recuerda que el \u00e9xito solamente ser\u00e1 completo si se mantiene la perspectiva de la multidisciplinariedad, un cuesti\u00f3n esencial en el seno del grupo, a la cual se le atribuye la amplitud de los resultados. “El electr\u00f3n no dice: ‘Ahora estoy comport\u00e1ndome con base en principios f\u00edsicos, y ahora me mud\u00e9 a la qu\u00edmica'”, comenta el investigador. “Sencillamente, se comporta y nos desaf\u00eda a comprender tal comportamiento.”<\/p>\n El Proyecto<\/strong>
\n<\/strong>El betacaroteno, un hidrocarburo formado por uniones simples y dobles entre \u00e1tomos de carbono, hallado alimentos vegetales -zanahoria, mango y papaya, entre otros-, es uno de los precursores de la vitamina A, que est\u00e1 directamente relacionada con el buen funcionamiento de la vista. Esta mol\u00e9cula, dura e inflexible, es tambi\u00e9n apolar -tiene poca capacidad de atraer y alterar a otras mol\u00e9culas. Y \u00e9se es un desaf\u00edo para las investigaciones.<\/p>\n
\n<\/strong>El estudio acerca de lo que sucede con las mol\u00e9culas sumergidas en solventes cobr\u00f3 fuerza luego de la Segunda Guerra Mundial, pero en los \u00faltimos 15 a\u00f1os, el desarrollo de programas de observaci\u00f3n implic\u00f3 en un salto de calidad. El grupo de la USP utiliza las herramientas de la inform\u00e1tica como si estuviera frente a un juego de RPG (Role Playing Game<\/em>): en ese juego de desempe\u00f1ar roles, que hace a\u00f1os fascina a los adolescentes en todo el mundo, los participantes encarnan personajes imaginarios para actuar ante problemas concretos y esbozar respuestas. En lugar de criaturas idealizadas, los investigadores operan con mol\u00e9culas, y simulan en computadoras sus bailes e interacciones, de la forma m\u00e1s cercana posible a la realidad.<\/p>\n
\n<\/strong>No obstante, antes de llegar a ese estadio, existe un largo camino por recorrer. Al fin y al cabo, los l\u00edquidos no tienen una forma geom\u00e9trica definida y pueden asumir una infinidad de configuraciones y posiciones -una caracter\u00edstica denominada comportamiento estad\u00edstico. Se suma a ello el hecho de que el grupo invierte en el an\u00e1lisis multidisciplinario: la lectura de lo que ocurre en las simulaciones exige el uso de la f\u00edsica cu\u00e1ntica (que estudia la materia a escalas reducidas) y de la f\u00edsica estad\u00edstica (que aborda el comportamiento medio del sistema), adem\u00e1s de buscar sustentaci\u00f3n en los procesos qu\u00edmicos y biol\u00f3gicos implicados.<\/p>\n
\n<\/strong>Adem\u00e1s del betacaroteno y del benceno, el grupo analiz\u00f3 los complejos de guanina y citosina (piezas elementales del ADN) en el agua; la piridina, la pirimidina y la pirazina (mol\u00e9culas de bases nitrogenadas) en varios solventes; y familias de cetonas y colorantes en varios l\u00edquidos. El intercambio con otras instituciones y grupos es permanente. En Brasil, investigadores del Instituto de Qu\u00edmica de la Universidad Federal de S\u00e3o Carlos (UFSCar), del Instituto de Qu\u00edmica de la USP y del Instituto de Qu\u00edmica de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) tambi\u00e9n trabajan con simulaci\u00f3n computacional con l\u00edquidos. “Todos hacen ciencia de la mejor calidad”, destaca Canuto. “La diferencia es que pasamos a aplicar la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica en l\u00edquidos y quiz\u00e1s seamos el \u00fanico grupo brasile\u00f1o que act\u00faa con esa perspectiva.”<\/p>\n
\n<\/strong>En ese proceso de modelado molecular, la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica ocupa un lugar de relevancia. Con base en el conocimiento preciso de las interacciones que las mol\u00e9culas establecen con los solventes, \u00e9stas podr\u00e1n ser modificadas, dando origen as\u00ed, por ejemplo, a remedios menos t\u00f3xicos y m\u00e1s eficientes. Canuto, que trabaja desde hace m\u00e1s de 25 a\u00f1os en el \u00e1rea y es un apasionado por la idea de que, en \u00faltima instancia, los mecanismos biol\u00f3gicos dependen de las interacciones f\u00edsicas entre las mol\u00e9culas, est\u00e1 satisfecho con los resultados.<\/p>\n
\nEstructura Electr\u00f3nica de L\u00edquidos Moleculares<\/em>
\nModalidad<\/strong>
\nProyecto tem\u00e1tico
\nCoordinador<\/strong>
\nSylvio Roberto Accioly Canuto – Instituto de F\u00edsica de la Universidad de S\u00e3o Paulo
\nInversi\u00f3n<\/strong>
\nR$ 311.181,39<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"La simulaci\u00f3n con mol\u00e9culas que alteran su comportamiento cuando se las sumerge en solventes permite modelar nuevas sustancias","protected":false},"author":18,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[],"coauthors":[109],"class_list":["post-75487","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ciencia-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/75487","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/18"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=75487"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/75487\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=75487"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=75487"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=75487"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=75487"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}