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Nobel de Química vai para pesquisadores que criaram modelos de reações químicas no computador

ciencia-nobelde-quimica-20131009-05-size-598O Prêmio Nobel de Química de 2013 foi concedido a Martin Karplus, Michael Levitt e Arieh Warshel, autores de pesquisas realizadas nos anos 1970, que lançaram as bases dos poderosos programas usados hoje em dia para entender e prever as reações químicas. No passado, os químicos realizavam suas experiências nos tubos de ensaio em seus laboratórios e enfrentavam dificuldades técnicas enormes para modelar o que acontecia com as moléculas das substâncias que estavam testando. Hoje, os computadores fazem boa parte desse trabalho e se tornaram tão importantes para a química quanto os tubos de ensaio — em grande parte por causa do trabalho dos vencedores do Nobel.

Perfil

MARTIN KARPLUS
Nascido em 1930, em Viena, na Áustria. Recebeu seu PHD no Instituto de Tecnologia da Califórnia, em 1953. Hoje, é professor emérito de química na Universidade Harvard, nos Estados Unidos, e pesquisador da Universidade de Estrasburgo, na França.

MICHAEL LEVITT
Nascido em Pretória, na África do Sul, em 1947, Levitt é cidadão americano, britânico e israelense. Adquiriu seu PHD na Universidade de Cambridge, no Reino Unido. Hoje é professor da Faculdade de Medicina da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos.

ARIEH WARSHEL
Nascido no Kibutz Sde-Nahum, em Israel, no ano de 1940. Adquiriu seu PHD no Instituto de Ciência Weizmann, em Israel. Hoje, é professor da Universidade do Sul da Califórnia, EUA.

As reações químicas são impossíveis de acompanhar em tempo real, pois acontecem na velocidade da luz. Em uma fração de um milésimo de segundo, os elétrons saltam de um núcleo atômico para o outro, o que torna praticamente impossível mapear experimentalmente cada passo do processo. Nos laboratórios atuais, isso pode ser feito a partir dos avançados programas de computador. Para que isso pudesse acontecer, Karplus, Levitt e Warshel tiveram de unir, há quatro décadas, duas áreas distintas da ciência: a física clássica (que se focava na estrutura e no movimento dos átomos) e a física quântica (que analisava como os elétrons e os núcleos atômicos se comportavam).

Os cientistas conseguiram, assim, abrir a porta para um conhecimento mais detalhado de como os processos químicos aconteciam, o que levou à criação de novos compostos, como catalisadores, células solares e medicamentos. O efeito de um remédio que age sobre uma proteína do corpo humano, por exemplo, pode ser simulado por um computador que realiza cálculos teóricos sobre como as principais partículas da proteína irão reagir com a droga, prevendo seus efeitos de modo mais exato.

O melhor de dois mundos — Antes das pesquisas realizadas pelo trio de cientistas, os químicos que quisessem simular moléculas em seus computadores tinham que decidir se iriam usar programas baseados na física clássica ou quântica. Os programas clássicos eram capazes de analisar e processar grandes moléculas químicas. Eles não conseguiam descrever reações — só serviam para moléculas em estado de repouso — mas forneciam uma boa representação de como os átomos estavam posicionados dentro da estrutura molecular.

Acontece que durante uma reação química, as moléculas recebem energia e deixam de ser estáveis. A física clássica não fornece ferramentas para analisar esse estado molecular mais agitado. Para fazer isso, os cientistas tinham de usar a física quântica, que estuda o comportamento dos próprios elétrons, os encarando como se fossem partícula e onda ao mesmo tempo. Com esse foco, as simulações eram mais realistas, mas exigiam um enorme poder de computação para analisar o comportamento de uma única partícula. Assim, era impossível realizar simulações do comportamento de todos os elétrons e núcleos celulares envolvidos numa grande reação química, e os pesquisadores só conseguiam usar o método para descrever moléculas muito pequenas.

O primeiro passo para juntar esses dois mundos aconteceu em 1970, quando Arieh Warshel foi chamado para trabalhar no laboratório Martin Karplus, na Universidade Harvard, nos Estados Unidos. Ali, a equipe de pesquisas estava especialmente interessada na química quântica, e vinha desenvolvendo alguns dos primeiros programas para simular as reações químicas com base nos conhecimentos dessa área.

Mas Arieh Warshel vinha de uma experiência diferente. Ele havia feito seu doutorado no Instituto de Ciência Weizmann, em Israel, junto com seu colega Michael Levitt. Lá, ambos tinham utilizado um poderoso computador chamado Golem (em homenagem a uma figura do folclore judaico) para desenvolver um programa de simulação que usava como base a química clássica. O software permitia a modelagem de todos os tipos de moléculas, mesmo as muito grandes encontradas na química biológica.

Quando Arieh Warshel se juntou a Martin Karplus, em Harvard, ele trouxe seu programa de computador com ele. Ali, eles juntaram seus conhecimentos para criar um novo programa, capaz de realizar diferentes tipos de cálculos em diferentes elétrons da mesma molécula. Eles queriam analisar o comportamento dos chamados elétrons livres, que, diferentemente do que ocorre na maioria das moléculas, não permanecem orbitando apenas um núcleo atômico. Ao contrário, eles podem se mover sem obstáculos entre os vários núcleos que compõem a estrutura molecular.

Karplus queria utilizar o programa para analisar o retinal, uma molécula presente na retina do olho humano, na qual os elétrons livres desempenham um papel importantíssimo para a visão. São eles que captam a luz emitida pelo ambiente, alteram a forma da molécula e transmitem os primeiros sinais visuais ao cérebro.

Em 1972, Karplus e Warshel terminaram seu modelo molecular do retinal. Para isso, eles fizeram seu programa de computador usar a física quântica para realizar cálculos sobre o comportamento dos elétrons livres, enquanto aplicava as teorias clássicas para modelar todos os outros elétrons e núcleos atômicos da molécula. A pesquisa ficou conhecida com a primeira a realizar uma colaboração relevante na área da química entre a física clássica e quântica.

Um programa para todas as moléculas — Depois de dois anos trabalhando em Harvard, Arieh Warshel regressou para o Instituto Weizmann, onde voltou a se encontrar com Michael Levitt. O colega também tinha deixado o Instituto por um tempo e ido concluir seu doutorado na Universidade de Cambridge, no Reino Unido. Lá, Levitt havia usado seu programa de computador para obter uma melhor compreensão sobre a estrutura das moléculas biológicas, como as proteínas, o DNA e o RNA.

Quando voltaram a trabalhar juntos em Israel, os pesquisadores haviam aumentado a ambição de suas pesquisas. Agora, eles desejavam desenvolver um programa que podia ser usado para estudar a ação das enzimas, proteínas que regulam as reações químicas nos organismos vivos. São elas as responsáveis por controlar os processos químicos que tornam a vida possível.

Para serem capazes de simular as reações enzimáticas, Levitt e Warshel foram obrigados a fazer física clássica e quântica colaborarem de forma mais próxima do que nunca — o que levaria vários anos de trabalho. Quando publicaram o primeiro modelo computadorizado de uma reação enzimática, em 1976, haviam criado um método revolucionário, que poderia ser utilizado para analisar moléculas de qualquer tamanho.

Os pesquisadores tinham conseguido diminuir o poder de computação necessário para analisar grandes reações químicas ao mapear quais áreas das moléculas eram realmente importantes para essas reações. Assim, seu programa de computador não teve de realizar cálculos quânticos para cada átomo das moléculas, mas somente aqueles que se envolviam diretamente na reação química. As partes menos interessantes podiam ser analisadas usando as — muito mais simples — equações clássicas.

Modelos e experimentos — Hoje, o método criado pelo trio de pesquisadores é usado por químicos de todo o mundo. Estudar como as reações químicas acontecem na tela do computador se tornou tão importante quanto observá-las no laboratório. O Prêmio Nobel reconhece as primeiras pesquisas que deram início a um método utilizado universalmente, do estudo das reações biológicas aos processos industriais, e permitiram uma maior compreensão dos processos químicos.

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