Scienza leggera: simulare il sogno di Dio (la chimica computazionale)

Quante volte di fronte ad una scelta fondamentale, tra un lavoro e un altro, tra un partner e un altro, ecc. ci piacerebbe sapere, in anticipo, come procederebbe la nostra vita se prendessimo un cammino invece dell’altro! Come sarebbe utile poter… prevedere le conseguenze delle nostre scelte, essere in grado di simulare e analizzare la realtà per poterla modificare e vivere meglio! Per quanto riguarda la complessità delle nostre esistenze, questo non è – per ora…- ancora possibile, ma è invece realizzabile nel mondo degli atomi e delle molecole che – se ci pensiamo bene – non è altro che una parte molto piccola del mondo macroscopico nel quale ci muoviamo. I Nobel per la chimica del 2013 sono stati assegnati proprio a tre scienziati che si occupano di questa disciplina della scienza: simulare la realtà per ora in scala molto, molto piccola, ossia simulare i processi chimici con il computer.

La molecola d’acqua

Tutto ciò che ci circonda è formato da atomi che sono entità a loro volta formate da un nucleo e da un certo numero di elettroni che ci stanno intorno. Per stare meglio ed essere più felici, gli atomi tendono ad unirsi, formando molecole che sono, appunto, aggregati di atomi. Il tipico esempio è la molecola di acqua, in cui un atomo di ossigeno è legato a due atomi di idrogeno.

Sappiamo che il mondo, non solo quello della chimica, è in continuo subbuglio e nessuno sta mai fermo, e quindi anche le molecole tendono ad interagire tra loro. In certe condizioni, queste interazioni sono così forti che gli atomi che compongono le molecole si “rimescolano”, i legami tra un atomo e l’altro si rompono, se ne formano di nuovi e infine si generano nuove molecole che corrispondono a nuove sostanze: una reazione chimica!

L’esempio più classico di reazione chimica è la combustione, ossia – semplificando – il bruciare qualcosa. Il riscaldamento delle nostre casette si basa sulla combustione del metano (CH4), ossia sulla sua reazione con l’ossigeno che produce acqua (sotto forma di vapore acqueo) e anidride carbonica (CO2).

Come si può facilmente notare, osservando l’equazione chimica che rappresenta la reazione, gli atomi di idrogeno, carbonio e ossigeno sono combinati/uniti diversamente prima e dopo la reazione. Quello che accade è che quando una molecola di metano incontra due di ossigeno, se interviene un po’ di energia (ad esempio una scintilla), l’”incontro” può essere così violento, che le due molecole si “spaccano” e gli atomi che le componevano, si ricombinano diversamente formando una molecola di CO2 e due di acqua. Tutto ciò, fra l’altro, genera calore che è quello che ci permette di riscaldare le nostre case.

Un’immagine da una simulazione di un enzima (una specie chimica che velocizza reazioni biochimiche)

Le reazioni chimiche avvengono continuamente e dovunque, anche all’interno del nostro corpo. Respiriamo, digeriamo, muoviamo i muscoli, vediamo, ci ammaliamo o guariamo perché hanno luogo alcune reazioni chimiche. Inoltre è grazie a reazioni chimiche che vengono sintetizzate ossia create sostanze utili alla nostra esistenza, dalla plastica alle medicine. Comprendere come funziona un processo chimico è quindi fondamentale per poter capire come e perché ci ammaliamo, come poter sintetizzare farmaci che ci aiutino a guarire o come ottenere nuovi materiali migliori, ad un costo minore e magari riciclabili. Se, ad esempio, volessimo riparare il motore di un’automobile o ne volessimo costruire uno più efficiente e che consumi meno carburante, è ovviamente molto meglio conoscere come funziona un motore!

Comprendere come funziona un processo chimico significa soprattutto comprendere cosa succede tra lo stato iniziale (reagenti: metano e ossigeno nell’esempio di sopra) e stato finale (prodotti: acqua e anidride carbonica nell’esempio di sopra), in una zona di transizione dove la trasformazione chimica effettivamente ha luogo. E’ lì in quel momento e in quel punto che si determina come e perché gli atomi si ricombinano in un modo piuttosto che in un altro e in quali condizioni lo fanno. Studiare quindi questa situazione di transizione è cruciale per ottenere le informazioni necessarie per comprendere come funziona una reazione chimica, per esempio: come il glucosio viene degradato ed utilizzato dal nostro organismo.

Quando sopra abbiamo discusso la reazione del metano con l’ossigeno, abbiamo utilizzato parole un po’ vaghe per descrivere ciò che accade tra reagenti e prodotti. Il problema è proprio questo: questa zona di transizione è per sua natura sfuggente, vaga, caratterizzata da specie chimiche difficilmente isolabili e quindi non identificabili con i metodi utilizzati dalla chimica tradizionale (quella che si fa in un laboratorio con “alambicchi” e provette, per intenderci). Ed è proprio qui che interviene la chimica computazionale, ossia quella disciplina che simula le reazioni chimiche. La chimica compitazionale, infatti, utilizza programmi al computer, basati sulle leggi della fisica e della chimica, per far avvenire un processo chimico non più in una provetta, ma in un mondo virtuale, nel mondo dei numeri di un computer. Un chimico computazionale, quindi, vede sullo schemo del suo computer gli atomi e le molecole che si incontrano, interagiscono e si trasformano come se si trattasse di un “film” che riproduce quanto accade nella realtà.

Una molecola di saccarosio (zucchero) simulata al computer.

Come dunque in un teatro, gli attori rappresentano la realtà o come in un simulatore di volo, un pilota d’aereo impara a pilotare, così, la chimica computazione fa avvenire reazioni chimiche o in generale studia problemi chimici cercando di riprodurre nella maniera più accurata possibile quelli che effettivamente hanno luogo in un laboratorio tradizionale o in natura e nel nostro organismo. Questo consente di ottenere informazioni preziosissime (non sono quelle relative alla zona di transizione menzionata sopra) che difficilmente possono essere acquisite per altre vie, perché utilizzare i metodi chimici computazionali è un po’ come esaminare una reazione con una potentissima lente d’ingrandimento o fare dei “fermo-immagine” - per tornare alla metafora del film - che ci consentono di analizzare (non solo visivamente, ma anche numericamente) le molecole nel loro intimo, per comprendere ad esempio se e come un piccolissimo cambio strutturale in un enzima o nel DNA determina il cattivo funzionamento di un processo fisiologico.

Le informazioni ottenute dalle simulazioni vengono poi integrate e confrontate con quelle sperimentali. Il confronto con i dati sperimentali è essenziale, in primo luogo per verificare se i metodi che si stanno utilizzando sono effettivamente in grado di riprodurre “la realtà”, per poterli giudicare affidabili ed eventualmente in grado di effettuare predizioni. Ogni giorno di più la chimica computazionale e quella “tradizionale” collaborano e si complementano con l’obiettivo di avere una visione più completa e poter spiegare e possibilmente predire come e perché una determinata reazione chimica funzionerà o meno. In questa maniera si può anche risparmiare tempo: i chimici computazionali possono, ad esempio, suggerire ai chimici sperimentali come realizzare reazioni più efficaci da realizzare in laboratorio per sintetizzare un certo farmaco, ad esempio. In altre parole, ogni giorno di più, la chimica computazionale si rivela capace di spiegare non solo ciò che accade, ma anche di prevedere cosa potrà accadere in futuro, perché è in grado di simularlo.

Come è facile immaginare, la bontà delle simulazioni e le dimensioni dei sistemi che vengono simulati dipendono strettamente dalla potenza dei computer, che – ce l’abbiamo sotto gli occhi ogni giorno – aumenta giorno dopo giorno. Quindi, se fino a pochissimi anni fa si potevano studiare sistemi composti da pochi atomi e con forti approssimazioni che rendevano i risultati non sempre in accordo con i dati sperimentali, oggi – con diversi gradi di approssimazione – si arrivano a simulare proteine, aggregati di proteine o processi che coinvolgono le membrane cellulari. Attualmente, perciò, si può prevedere (o tentare di farlo) cosa accade quando un farmaco interagisce con il nostro organismo per poter far sì che sia, ad esempio, molto selettivo contro le cellule tumorali, senza che danneggi quelle sane.

Nel film “The Matrix”, quello che sembra essere il mondo in cui gli uomini vivono è in realtà una realtà simulata costruita da macchine per poter tenere sotto controllo la popolazione umana.

Ora, se immaginiamo che le risorse computazionali diventino sempre più potenti e veloci, così come accaduto negli ultimi anni e come potrebbe accadere ancor di più nel futuro con l’avvento, ad esempio, del computer quantistico, è naturale immaginare che diventino sempre più grandi i sistemi che possono essere simulati. Del resto, è (quasi) tutto questione di numero di atomi ed elettroni e nulla ci vieta di immaginare che, nel futuro, si potranno simulare sistemi formati da una quantità di atomi ed elettroni che oggi ci appare oltre ogni possibilità, esattamente come pochi anni fa ci appariva impossibile poter studiare al computer ciò che si studia oggi. Qualcuno parla già della possibilità di simulare una cellula. E dopo la cellula, ci sono i tessuti, poi gli organi…e poi gli organismi…(c’è già chi ha fatto il calcolo di quanti elettroni ci sono in un essere umano!) e poi aggregati di organismi…e poi…tutto quanto…C’è chi sostiene che l’Universo non è altro se non il sogno di Dio. E se fosse invece la simulazione di un chimico computazionale?…