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Comprender las reacciones bioquímicas con cálculos de mecánica cuántica

Gracias a un nuevo programa para cálculos de dinámica cuántica será posible superar algunas de las limitaciones asociadas a la dinámica nuclear cuántica convencional. Podría ser particularmente importante en biología pues es aplicable a sistemas moleculares de cualquier tamaño.
Comprender las reacciones bioquímicas con cálculos de mecánica cuántica
El rápido desarrollo de la espectroscopia molecular ha revelado nuevos detalles de la dinámica nuclear y electrónica, que deben comprenderse en términos de la teoría cuántica.

La ecuación principal utilizada para describir el comportamiento de partículas a escala cuántica es la ecuación de Schrödinger. Resolver la ecuación de Schrödinger que depende del tiempo numéricamente para un sistema conformado por unos pocos núcleos y sus electrones correspondientes es relativamente simple. No obstante, si aumenta el número de partículas que interactúan, los cálculos adquieren mayor complejidad.

Los métodos clásicos no sirven para medir efectos cuánticos importantes como la formación de túneles de protones y la dinámica de las regiones en las cuales el movimiento del núcleo y de los electrones se acopla con intensidad. El proyecto DQDPROT (On-the-fly nonadiabatic quantum dynamics suitable for large biomolecules: Developing the DD-vMCG method) ha actualizado el método DD-vMCG, aplicándolo a sistemas biológicos, y se decidió centrar el estudio en la proteína fluorescente verde (GFP).

El mecanismo de acción de la GFP incluye la absorción de luz azul, que produce la transferencia de protones en estado excitado (ESPT). Esta es la única ESPT conocida para las moléculas biológicamente activas, y que a pesar de que han sido estudiadas en detalle a nivel experimental, su mecanismo de acción aún es motivo de debate.

Con el fin de estudiar teóricamente el proceso fluorescente, es necesario aplicar un mecanismo dinámico cuántico, pero incluso un modelo sencillo debe considerar al menos cincuenta átomos, y ello es imposible de investigar utilizando métodos convencionales.

Se observaron ciertos inconvenientes no esperados en el desarrollo y comparación del proyecto DQDPROT. A pesar de que no fue posible cumplir con todos los objetivos del proyecto en el marco de este primer proyecto, se alcanzaron mejoras de gran utilidad en el rendimiento del programa DD-vMCG.

La manipulación de la matriz ha adquirido mayor solidez. La manipulación de la base de datos de las energías, gradientes y hessianos también mejoró significativamente y se optimizó su rendimiento. Se implementó el procedimiento de actualización de los hessianos, y así fue posible acelerar más la dinámica directa, lo cual es especialmente importante para los cálculos de estados excitados, muy costosos. Así será posible mejorar significativamente los modelos de dinámica de las reacciones teóricas, que tienen importantes aplicaciones en química y biología.

Los resultados y una revisión profunda del estado actual del programa DD-vMCG se publicaron en artículos en las revistas «International Reviews in Physical Chemistry» y «Journal of Chemical Physics».

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Palabras clave

Espectroscopia molecular, teoría cuántica, ecuación de Shroedinger, túneles de protones, fluorescencia
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