El Futuro de la Ciencia y de la Tecnolog

Qu?micos que tienen apuro el predecir de c?mo algunas mol?culas biol?gicas grandes, complejas reaccionar?n con otras pueden pronto tener una soluci?n del mundo de la f?sica de c?mputo del qu?ntum, investigadores de la universidad de Purdue de la opini?n.

Usando los superordenadores de gran alcance para analizar la interacci?n de las docenas de electrones que giran en nubes sobre estas mol?culas, un equipo de los f?sicos conducidos por Jorge H. Rodriguez de Purdue ha encontrado que la caracter?stica del qu?ntum de electrones llam? "vuelta" necesita ser considerada para obtener un cuadro completo y fundamental ocurren de cu?ntas reacciones bioqu?micas. En detalle, una clase de prote?nas metal-basadas que incluye la hemoglobina y la clorofila, y sus reacciones en plantas y animales, se puede entender mejor con la t?cnica.

Este descubrimiento afilar? no s?lo nuestro conocimiento b?sico de la biolog?a, Rodriguez dicho, sino que tambi?n podr?a ayudar a cient?ficos con un n?mero de problemas pr?cticos - tales como seleccionar los mejores compuestos nuevos potenciales de la droga de un grupo extenso de candidatos, un proceso que puede costar a compa??as farmac?uticas a?os del trabajo y de millones de d?lares.

"Mientras que hemos tenido que ser satisfechos con la observaci?n de la qu?mica en cosas vivas y describirla luego sin la comprensi?n completa, estamos desarrollando las herramientas de c?mputo que pueden predecir qu? suceder? entre las mol?culas antes de que ?l satisfaga en el tubo de prueba," dijo a Rodriguez, que es profesor auxiliar de la f?sica en la universidad de Purdue de la ciencia. "hace no solamente esta investigaci?n abren un nuevo campo de la ciencia que revela c?mo obran rec?procamente los metalloproteins y sus part?culas constitutivas, pero la teor?a del qu?ntum detr?s de ella tambi?n debe permitir que modelemos y que predigamos estos comportamientos exactamente con la simulaci?n de computadora solamente. Es un ejemplo de cu?nto se puede lograr con ciencia interdisciplinaria."

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Rodriguez est? iniciando un nuevo campo que ?l llama la "bioqu?mica del qu?ntum" - un campo que implique la bioqu?mica y la f?sica de la part?cula, que se citan a menudo entre los trastos m?s formidables de los estudiantes de la ciencia de los temas. Ordinariamente, las dos disciplinas comparten la peque?a tierra com?n. Aunque la bioqu?mica se ocupa de interacciones entre las mol?culas complejas que nuestros cuerpos utilizan para los procesos fundamentales de la vida, estas mol?culas microsc?pico peque?as son no obstante entidades enormes en comparaci?n con las part?culas subatomic m?s min?sculas tales como protones y electrones que los f?sicos estudien.

"A pesar de estas diferencias, hay un punto del traslapo entre la qu?mica y la f?sica que me ha interesado, y que est? en las part?culas elementales que giran sobre estas mol?culas - los electrones. Los f?sicos han sabido de largo que, seg?n los leyes de los mec?nicos del qu?ntum, hay algunas reacciones qu?micas en nuestros cuerpos ' se proh?ban ' que - por ejemplo el ox?geno obligatorio de la hemoglobina en nuestros pulmones cuando respiramos. Pero suceden no obstante. As? pues, porque estas reacciones implican vuelta del electr?n, decid?amos hechar una ojeada m?s cercano ellos."

La carga es una caracter?stica familiar de un electr?n, pero no es la ?nica. Los electrones tambi?n tienen otra caracter?stica del qu?ntum llamada vuelta, y aunque son todos cargados negativamente, pueden hacer girar en una de dos direcciones de oposici?n - para arriba o abajo.

"La naturaleza ama el balance, y usted ve la evidencia de ella en carga y vuelta. Por ejemplo, los electrones de la vuelta opuesta tienen gusto de aparearse para arriba con uno a mientras que vuelan alrededor del n?cleo. Esto permite que sus vueltas balanceen uno otro, apenas como las cargas positivas y negativas hacen entre los protones y los electrones. Incluso cuando usted tiene centenares de electrones que forman una nube inmensa alrededor de una mol?cula compleja, usted todav?a ve el balance en carga y vuelta; llamamos este equilibrio ' conservaci?n, ' y ?l es algo que contamos encendido en qu?mica y la f?sica para ayudarnos a entender estos objetos min?sculos.

"Pero los electrones en metalloproteins se parecen a veces jugar un truco en nosotros. Como vemos con hemoglobina, la naturaleza aparece conservar la carga electr?nica mientras que sacrifica esta conservaci?n en vuelta."

El centro activo de la hemoglobina contiene el hierro, uno de los metales supuestos de la transici?n. Estos metales se observan para la manera que varios de sus electrones pueden volar alrededor del n?cleo desapareado. - - Cuando una c?lula de sangre roja encuentra el ox?geno en nuestros pulmones, su hemoglobina puede agarrar algo del ox?geno con algunos de estos electrones desapareados, llev?ndolo al resto de nuestro cuerpo. Pero en el proceso, la vuelta acumulativa de los cambios de sistema en una manera que no se conserva, que a un f?sico parece tan extra?o como una bola que golpea el agua sin la fabricaci?n de un chapoteo.

"Esta qu?mica es vital para la vida, pero los f?sicos se preguntan c?mo puede suceder. La carga entre los electrones en el ox?geno consolidado y la hemoglobina se balancea en el extremo, que tiene sentido a los qu?micos. Pero la vuelta electr?nica del sistema entero no se conserva, haciendo que un f?sico frunce el ce?o en qu? aparece ser un proceso formalmente prohibido. Por supuesto, necesitamos aprender m?s sobre la naturaleza en el nivel microsc?pico."

Tanto de estas reacciones supuesto prohibidas implique las biomol?culas centradas sobre los metales de la transici?n, que pueden mover de un tir?n hacia adelante y hacia atr?s entre diversos estados de la vuelta bajo ciertas condiciones, Rodriguez teoriz? que era esta variabilidad en el estado de la vuelta que influenciaba el ?ndice de estas reacciones. Para explorar si este efecto, que Rodriguez llama reactividad hacer girar-dependiente, era de hecho el factor decisivo, el equipo est? modelando las tarifas de la reacci?n con un superordenador, la ?nica herramienta capaz de no perder de vista el movimiento de tan muchas part?culas inmediatamente.

"Los superordenadores han permitido que comprobemos nuestros modelos contra nuestra comprensi?n del efecto de la vuelta sobre una reacci?n, y nuestros modelos han sido comprobados de cerca por el experimento. Los resultados sugieren que nuestra comprensi?n del comportamiento del electr?n sea suficiente crear modelos virtuales de las mol?culas que lata entonces ' reaccionamos ' el uno con el otro en las simulaciones que predicen exactamente qu? suceder? cuando ?l satisface en el mundo f?sico."

Rodriguez dijo el acercamiento, aunque a?n en sus etapas nacientes, podr?a proporcionar la penetraci?n en las mol?culas lejos m?s biol?gico importantes cuando se desarrolla m?s a fondo.

"Somos en el punto donde hemos desarrollado las herramientas de c?mputo para analizar los procesos hacer girar-dependientes de biomol?culas y para haber aplicadolas a algunos casos importantes de la prueba. Pero nuestros m?todos se basan en los acercamientos que son v?lidos para cualquier sistema molecular. Por lo tanto, los centenares m?s metalloproteins que est?n de gran inter?s cient?fico y pr?ctico se pueden estudiar en el futuro con los m?todos que hemos desarrollado."

Por ejemplo, Rodriguez est? planeando estudiar el manganeso implicado en fotos?ntesis para entender c?mo el agua se analiza para producir el ox?geno molecular. Pero para ahora, ?l es feliz que los cuatro a?os del trabajo que su equipo ha puesto en el proyecto ha producido tales resultados que animaban.

"Estamos creando un nuevo campo que procure entender procesos bioqu?micos en el nivel m?s fundamental que de mec?nicos del qu?ntum. Podr?a ser el paso m?s importante hacia la fabricaci?n bioqu?mica de una ciencia prof?tica m?s bien que descriptivo."

Dos papeles en el tema, uno de el cual Rodriguez fue autor con Teepanis Chachiyo de Purdue, aparecen en la aplicaci?n de esta semana el diario de la f?sica qu?mica. Jeffrey desea, un profesor de la qu?mica en la universidad de California en Berkeley, comentada respecto al trabajo de Rodriguez.

"Rodriguez ha venido para arriba con los medios elegantes de evaluar las estructuras electr?nicas del excitar-estado. Presta la penetraci?n a los mecanismos detallados de transformaciones mal entendidas en complejos inorg?nicos."