Walter KOHN (Viena, 1923 – Santa Bárbara, CA, 2016) fue distinguido con el premio Nobel de Química en 1998 “por el desarrollo de la teoría de la función de densidad”. John A. POPLE (Burnham-on-sea, Somerset, RU, 1925 – Chicago, Il, 2004) compartió el premio “por el desarrollo de métodos de computación en Química Cuántica”.

Walter KOHN, judío vienés, fue llevado a Canadá tras declararse la Segunda Guerra Mundial. Estudió en la Universidad de Toronto y se doctoró en 1946 en Harvard con una tesis sobre el problema de los tres cuerpos dirigida por J.Schwinger. Fue profesor en las universidades de San Diego y Santa Bárbara en California desde 1960 hasta su jubilación como emérito. En su ‘lectura’ del Nobel, titulada “Estructura electrónica de la materia. Funciones de onda y funciones de densidad”, comenzó recordando la opinión de Dirac sobre la dificultad de la aplicación de la mecánica cuántica a la química: las ecuaciones son demasiado complejas para resolverlas salvo en el caso de dos electrones, como en la molécula de hidrógeno y el átomo de helio. La teoría de la función de densidad (DFT), dijo, es una aproximación que utiliza la densidad de la distribución electrónica, n(r), en vez de la función de onda de muchos electrones. La densidad electrónica es una magnitud escalar que depende de tres variables espaciales y está determinada por la función de onda normalizada, lo que supone una simplificación del cálculo computado y lo hace asequible a la materia condensada. Con respecto a la estructura de las moléculas, dijo, los teóricos, siguiendo el camino de la ecuación de Schoedinger, utilizan orbitales de partículas con un complicado cálculo de determinantes de Slater; pero la DFT camina en otro sentido: la densidad electrónica n(r) del estado fundamental. Por ejemplo, pueden calcularse superficies con densidad electrónica constante que sirvan para predecir las interacciones con otras moléculas y cargas del entorno. No obstante, Kohn reconoció que la DFT, establecida en 1964, no había sido aceptada por muchos físicos y químicos y que debería ser modificada en varios aspectos en los que trabaja deficientemente: energías de polarización a largas distancias, capas electrónicas parcialmente llenas, barreras de energía y otras. Y afirmó su convicción de que el trabajo cooperativo de las funciones de onda y de densidad servirían para una mejor comprensión de la estructura de la materia. Walter Kohn, estadounidense desde 1957, fue conocido también por sus contribuciones a la teoría de los muchos cuerpos y a la física de los semiconductores.

John POPLE se doctoró en matemáticas en 1951 bajo la dirección de Lennard-Jones en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, con una tesis sobre pares de electrones solitarios. En 1964 se trasladó a la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, Pensilvania, EEUU, y en 1993 a la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois. En su lección del Nobel, titulada “Modelos en Química Cuántica”, Pople, como Kohn, también comenzó recordando las palabras de Dirac sobre la dificultad de los cálculos cuánticos y aludió a la necesidad de los métodos aproximados, utilizando modelos que consigan correspondencia con datos experimentales tales como los potenciales de ionización y los calores de reacción, mediante programas de computadora eficientes y sencillos de usar. Los modelos pueden ser, dijo, ‘ab inicio’, que utilicen solamente constantes fundamentales, o semiempíricos, que introduzcan algunos datos experimentales. En concreto, el método de aproximación autoconsistente de Hartree- Fock Slater trata con 2 n electrones moviéndose en un set de n orbitales moleculares independientes. La pesadilla de las integrales, dijo Pople, se resuelve con la introducción de parámetros obtenidos empíricamente. Pople y sus colaboradores hicieron los programas informáticos GAUSSIAN, con un algoritmo para aumentar la eficiencia disminuyendo las operaciones aritméticas, con modelos CISD (interacción de configuración) y CCSD (racimos acoplados) que no desprecien la correlación entre los movimientos de los electrones de espín antiparalelo, y empleando la configuración cuadrática QCISD, intermedia entre las anteriores. Pero, ¿cómo funciona el programa para una molécula sencilla? En principio se seleccionan los enlaces de, por ejemplo, un átomo de carbono central con los diversos radicales, obteniéndose un bosquejo de la molécula. Después se dan instrucciones al computador para que determine la estructura de la molécula, que se completa en la pantalla, y finalmente se pide que calcule algunas propiedades del sistema. Los programas de Sir John Anthony Pople han sido empleados en todos los campos de la Química, incluso en la determinación de la estructura de la materia estelar a partir de las frecuencias recogidas en los radiotelescopios.

Martin KARPLUS (Viena, 1930), Michael LEVITT (Pretoria, Sudáfrica, 1947) y Arieh WARSHEL (Israel, 1940) compartieron el premio Nobel de Química en 2013 “por el desarrollo de modelos multiescala para sistemas químicos complejos”.

Martin KARPLUS pertenece a una familia judía que huyó de Viena al llegar los nazis. Se doctoró en 1953 en el Caltech con una tesis titulada “Una discusión mecano cuántica sobre el ion bifluoruro” dirigida por Linus Pauling. Después de su paso por otras universidades y laboratorios europeos fue profesor (1967) y emérito en la Universidad de Harvard. En su lección del Nobel, titulada “Desarrollo de sistemas multiescala para sistemas químicos complejos. Desde H + H2 hasta las biomoléculas”, citó de nuevo la opinión de Dirac sobre lo complicadas que eran las ecuaciones, pero recordó que también había hablado de aproximaciones mecano cuánticas para simplificarlas. Karplus señaló que Dirac no se refirió a la mecánica clásica, a las leyes clásicas del movimiento de los átomos en las superficies de potencial en que se mueven. Él dedujo estas leyes para la simulación de la dinámica de la reacción de intercambio H + H2 ===> H2 + H , una reacción que venía estudiando desde que era discípulo de Linus Pauling. Y estableció que para predecir con precisión el curso de las reacciones en los sitios en los que tienen lugar se requieren cálculos basados en la mecánica cuántica, pero que para las otras partes de la molécula sólo se necesitan cálculos menos complicados de la mecánica clásica. Elaboró el programa informático CHARMM y lo aplicó a moléculas con muchos átomos, como el inhibidor de la tripsina pancreática bovina (BPTI), una enzima de pequeño tamaño, y el polieno retinal (aldehído de la vitamina A), estudiando cómo se transforman sus confórmeros mediante colisiones reactivas y no reactivas que tienen lugar en femtosegundos.

Michael LEVITT nació en Sudáfrica en el seno de una familia judía originaria de Lituania. Se doctoró en Cambridge, GB, con una tesis sobre conformación de proteínas. En 1980 fue profesor de Química Física en el Instituto Weizmann de Israel hasta 1987, fecha en que pasó a la Universidad de Stanford como profesor de Biología Estructural. En su lección del Nobel, titulada “Nacimiento y futuro de los modelos multiescala para sistemas macromoleculares”, habló del pasado, presente y futuro de la biología estructural por computadora. El nacimiento,dijo, llegó aupado a hombros de gigantes: Crick y Watson, Perutz y Kendrew y Linus Pauling. En Israel, Levitt se unió en la investigación de los cálculos de energía de moléculas a Shneior Lifson y a su discípulo Warshel. Utilizaron simplificaciones para calcular, por ejemplo, la energía del plegamiento de una proteína: colapsaban todos los átomos de una cadena lateral en un solo centro de interacción y todos los átomos de la cadena principal en un segundo centro de interacción. Levitt y Warshel, combinando la química cuántica y la clásica, crearon programas informáticos potentes. Con ellos, Levitt estudió las reacciones de la lizosima, simuló la dinámica de las proteínas en disolución y el desplegamiento por la temperatura de una hélice alfa en agua, y fue capaz de abordar el estudio de las reacciones en grandes sistemas como el ARN polimerasa II y el ribosoma. Con respecto a las investigaciones futuras, Levitt habló de las aplicaciones a la biomedicina mediante cálculos que sustituyesen al experimento, concretamente, de la modelización por computadora de anticuerpos humanizados, por ejemplo, de un anticuerpo que se una a la interleucina 2, el factor de crecimiento de los linfocitos T.

Arieh WARSHEL nació en un kibbutz y sirvió en el ejército israelí en las guerras de los Seis Días y del Yom Kippur. Se doctoró en Química Física en 1969 con Lifson en el Instituto Weitzmann, trabajó en Harvard y en Cambrige y desde 1976 es profesor de la Universidad Southern California. En su lección del Nobel, titulada “Modelos multiescala de funciones biológicas: de las enzimas a las máquinas moleculares”, comenzó señalando que para el estudio de las macromoléculas es fundamental usar simulaciones que describan cómo se relacionan las fuerzas moleculares para una función determinada; pero al ser imposible obtener una representación mecano cuántica total, se divide en partes en la región donde se rompen los enlaces. Es el modelo QM/MM (mecanismo cuántica / mecanismo molecular). Por ejemplo , en la lizosima el sitio activo se divide en una pequeña zona QM reactiva y el resto del sitio se describe mediante un modelo clásico MM. Warshel demostró cómo se deslocalizan los dipolos en el sitio activo de la enzima durante el estado de transición. También dedujo la foto isomerización del retinal en el proceso de la visión: la luz transformaba el 11-cis retinal en trans retinal por torsión del enlace 11-12. Asimismo, estudió la hidrólisis del ATP en el F1-ATPasa, y el acoplamiento entre el ribosoma y el translocón, el canal translocador a través de las membranas formado por un complejo de proteínas. Con respecto al futuro, Warshel considera importante el estudio de la resistencia a los antibióticos, de los inhibidores de virus y de los aparatos nanotecnológicos, aunque estos no sean sistemas biológicos.