Il giorno in cui Martin Karplus, Michael Levitt e Arieh Warshel hanno vinto il Nobel per la Chimica, sono stato svegliato alle tre di notte da un mio vecchio collega americano che in un messaggio mi ha scritto: “Arturo, Arieh ha vinto il Nobel!”. Il mio vecchio collega era contento per due motivi: uno, il suo ex-supervisor aveva vinto il Nobel; due, si parlava di chimica computazionale sui giornali di tutto il mondo. Il giorno dopo sui social network era una fiera dell'”anche io sono chimico computazionale”. Tutti a rivendicare l’importanza, finalmente stabilita e accettata, della chimica computazionale.
Cos’è la Chimica Computazionale?
La Chimica Computazionale è un ramo della chimica che impiega software basati su leggi ed equazioni della chimica teorica e sfrutta la potenza di calcolo dei supercomputer per simulare reazioni chimiche e predire/riprodurre proprietà molecolari. Il bisogno di computer e supercomputer (Fermi, al nostro CINECA, è uno dei più potenti al mondo) nasce dall’impossibilità di poter risolvere facilmente ed esattamente le equazioni che descrivono i sistemi molecolari.
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Chimica al computer? Non fatemi ridere
Quando ho iniziato ad occuparmi di chimica computazionale nel 2002, ricordo la mia meraviglia nell’ottenere un’informazione di rilevanza scientifica tramite un programma al computer basato sulle leggi della chimica teorica e senza l’uso di nessun dato empirico. Pensateci: il computer esegue una serie di calcoli e senza avere nessun dato a sua disposizione è in grado di predire in maniera affidabile una certa proprietà chimica. (Per essere precisi questo è vero nei calcoli ab initio, per altri tipi di calcolo, i dati emprici sono fondamentali)
Il mio entusiasmo non era condiviso dai miei colleghi chimici sperimentali (quelli che impastrocchiano soluzioni e soluti in laboratorio). Mi prendevano in giro perché io ero uno che premeva ENTER su una tastiera e perché era il computer a fare il lavoro di chimico per me. All’epoca i chimici sperimentali accettavano con difficoltà i risultati ottenuti da noi chimici computazionali, rifiutandone spesso la validità scientifica. Una volta un collega, più avanti di me nella carriera universitaria, mi disse: “Tu fai chimica con il computer? Non farmi ridere!”.
E invece, si può fare eccome. Ecco un esempio:
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Una mia simulazione di dinamica molecolare dell’intercalazione della Daunomicina in un frammento di DNA – Copper−1,10-Phenanthroline Complexes Binding to DNA: Structural Predictions from Molecular Simulations, J. Phys. Chem. B
I primi anni di Chimica Computazionale
Avete mai visto il modello di DNA di Watson e Crick esposto al Museo della Scienza a Londra? È un oggetto meraviglioso, fatto di metallo e plastica. Fino agli anni sessanta, i chimici visualizzavano le loro molecole utilizzando sfere e bastoncini - qui una brevissima cronostoria della visualizzazione di molecole in chimica. Vi assicuro che è divertentissimo, ma è ovviamente un metodo altamente inaccurato.
Negli anni ’70, Martin Karplus, Michael Levitt e Arieh Warshel hanno posto le basi per sviluppare complicati e potentissimi programmi per comprendere e predire processi chimici utilizzando le leggi della fisica classica e quantistica.
Oggi il modelling si basa completamente sull’uso dei computer. Ma non è stato facile arrivarci, nonostante Arieh Warshel fosse convinto sin dagli anni ’70 che l’uso dei computer per simulare reazioni chimiche fosse fondamentale. Il Premio Nobel in un’intervista dice:
Sono sempre stato convinto che fosse la giusta direzione, ma ho incontrato tante difficoltà e problemi nella mia ricerca. Nessuno dei miei articoli veniva pubblicato se non dopo una lunga serie di rifiuti.
Karplus conferma che i suoi studi basati sull’uso del computer venivano visti con una certa freddezza dai suoi colleghi che li bollavano come “una perdita di tempo”.
4 Ragioni per cui il lavoro di Karplus, Warshel e Levitt è fondamentale
1. Hanno posto le basi per lo sviluppo di “multiscale models” di sistemi chimici complessi.
Motivazione ufficiale, comitato Premio Nobel.
2. Contribuendo a una più accurata comprensione del funzionamento delle proteine, hanno cambiato per sempre il modo in cui nuovi farmaci vengono realizzati.
Kersti Hermansson – Uppsala University
3. Hanno contribuito al riconoscimento del ruolo chiave dell’uso di modelli computazionali nello sviluppo della chimica e di discipline correlate, come la biochimica, la biologia e la medicina.
Ashutosh Jogalekar – Scientific American
4. Hanno rivoluzionato la chimica. Quando si risolvono equazioni al computer, si ottengono informazioni con un livello di dettaglio impossibile da ottenere con altri metodi.
Dominic Tildesley – President della Britain’s Royal Society of Chemistry.
… E ora, vogliate scusarmi. Vado a giocare con modelli, computer e con le mie molecoline…
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