NOBEL CHIMICA/ Colombo (Cnr): la loro genialità ha portato i chimici nel regno del supercalcolo

- int. Giorgio Colombo

I 3 Nobel per la chimica, spiega GIORGIO COLOMBO, hanno permesso lo viluppo di metodi adatti alla simulazione di reazioni complesse, abbinando la meccanica classica alla fisica quantistica

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foto:Infophoto

Per la ventesima volta dalla sua istituzione (nel 1901) il premio Nobel per la chimica è stato assegnato a un terzetto: la prima volta era stato nel 1967 (con Manfred Eigen, Ronald Norrish e George Porter) e quest’anno è la volta di tre scienziati che operano in università americane ma provengono da altri Paesi: l’83enne Martin Karplus è austriaco ed è professore emerito ad Harvard, il 73enne Arieh Warshel è israeliano e insegna alla University of Southern California a Los Angeles e il più giovane Michael Levitt (66 anni) è cittadino britannico, anche se nato in Sudafrica, e lavora all’università californiana di Stanford.

La loro è una vittoria già altre volte preannunciata e riguarda dei risultati scientifici risalenti agli anni ‘70 del secolo scorso e applicati ormai universalmente nella chimica in tutto il mondo: si tratta – così recita la motivazione del Nobel – dello “sviluppo di modelli multiscala dei sistemi chimici complessi”. Con Giorgio Colombo, dell’Istituto di Chimica del Riconoscimento Molecolare del Cnr, cerchiamo di comprendere meglio il senso e la portata di questo riconoscimento.

«È stato un grande lavoro teorico, che ha portato allo sviluppo della metodologia adatta per la simulazione di reazioni complesse. Gli studi, avviati da Karplus e seguiti poco dopo dagli altri due, sono consistiti nell’abbinare degli approcci di meccanica classica con quelli tipici della fisica quantistica; con tutta la comprensibile difficoltà che comporta il tentativo di far parlare tra loro questi due mondi, a maggior ragione in quell’epoca».  

L’approccio multiscala cui fa riferimento la motivazione, consiste nell’utilizzo di modelli fisici differenti a seconda della scala di grandezza del sistema studiato: ad esempio, per gli elettroni bisogna applicare un approccio quantomeccanico; questo poi si può interfacciare con il metodo classico con cui guardiamo tutti gli atomi di una macromolecola; se studiamo come la molecola sta in una soluzione, possiamo considerare non tutte le singole molecole di acqua che la circondano ma vedere l’acqua come un continuo; e così via, salendo di scala.

«Studiando le proprietà del retinale, una molecola complessa essenziale per il corretto funzionamento della retina, Karplus e Warshel hanno cercato un metodo per simulare il comportamento degli elettroni liberi; poi Warshel con Levitt l’ha sviluppato in un programma per computer. Va ricordato che le reazioni chimiche implicano lo scambio e la condivisione  di elettroni e questi sono fenomeni quantistici, non spiegabili con la fisica classica newtoniana; il resto della molecola serve per completare la reazione, attraverso una dinamica che può ben essere descritta classicamente. La componente classica quindi sta nell’analisi della parte di molecola (ad esempio di una proteina) che non è coinvolta nella reazione. L’idea è allora di descrivere il numero limitato di atomi che determina il centro della reazione con la quantistica e tutto il resto, cioè la parte strutturale della molecola in questione, con la meccanica classica: la combinazione dei due aspetti consente di fare dei modelli di sistemi anche molto complessi e di rendere praticabile la simulazione via computer».

Bisogna anche considerare il tempo necessario per sviluppare la simulazione: in genere i tempi richiesti dal calcolo quantistico sono molto più elevati di quelli per i calcoli di tipo classico; quando poi si parla di migliaia di particelle interagenti diventa necessario trovare soluzioni praticabili. Ed è quello che hanno fatto i tre chimici oggi premiati. La loro metodologia si è presto affermata ed è stata sempre più utilizzata da schiere di ricercatori, «cambiando il modo di vedere e studiare la chimica, soprattutto quella dei sistemi complessi: quindi la chimica degli enzimi, quella della visione, della catalisi».

Naturalmente, l’efficacia delle simulazioni di sistemi complessi dipende molto dalle prestazioni e dalla potenza di calcolo dei computer disponibili: «qui si vede bene il valore delle ricerche di Karplus, Levitt e Warshel: i computer di allora sono imparagonabili a quelli attuali ed è stato necessario un surplus di intuizione e di genialità per arrivare dove loro sono arrivati».

I vantaggi della strada inaugurata dai tre neoNobel sono molti ed evidenti e i campi applicativi sono sempre di più: certamente c’è la ricerca farmacologica, ma anche il design di nuovi catalizzatori, le prospettive della green chemistry, le nuove forme di energia e altro ancora.

Non c’è però anche il rischio che si affermi una chimica virtuale, contrapposta a quella forse più faticosa e limitata ma “reale”? Colombo, pur riconoscendo la tentazione, non lo ritiene possibile: «Teoria, simulazione ed esperimento devono procedere insieme;  non siamo ancora, e forse non saremo mai, al punto in cui tutto viene fatto in modo virtuale. Qualunque simulazione va peraltro sempre accompagnata da una parte sperimentale: anzi, il valore della simulazione è di poter più velocemente suggerire attività sperimentali; e vale il viceversa, in un dialogo che diventa fruttuoso. Inoltre la comunità scientifica è molto attenta a tenere insieme i diversi aspetti. E poi devo dire che una simulazione da sola, senza una conferma reale, senza che fornisca indicazioni spendibili sperimentalmente, è anche difficile da vendere…».

(Mario Gargantini)




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