Química cuántica inversa: búsqueda de moléculas que tengan las propiedades deseadas

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Últimamente se oye hablar de la química cuántica inversa. Los investigadores Thomas Weymuth y Markus Reiher han publicado recientemente un “estado de la cuestión” sobre este tema centrándose en sus aplicaciones al diseño de moléculas.

En la introducción de su artículo explican que los métodos de química cuántica tradicionales tenían como objetivo predecir las propiedades de una molécula a partir de su estructura optimizada mediante herramientas cuánticas. Sin embargo, los métodos inversos pretenden encontrar estructuras que tengan unas propiedades fisicoquímicas deseadas.

Para cada conjunto estructurado de núcleos atómicos y electrones se puede definir un operador hamiltoniano electrónico no relativista que permita resolver aproximadamente la ecuación de Schrödinger electrónica correspondiente, es decir, obtener la función de onda del sistema a partir de la cual se podrán determinar todos los observables y propiedades moleculares de interés.

Pero a la hora de diseñar nuevas moléculas o materiales funcionales es más interesante proceder al revés: establecer las propiedades que se desean y encontrar moléculas que las tengan. Un campo en el que claramente es útil establecer un enfoque de este tipo es el del diseño de fármacos.

Los problemas “inversos” no solo aparecen en el campo de la química, sino en muchos otros, por lo que su teoría constituye toda una rama de las matemáticas desde hace casi un siglo. Pero en química son especialmente difíciles de solucionar por el enorme tamaño del “espacio químico”, es decir, el conjunto de moléculas que se podrían sintetizar (en teoría) con los métodos de síntesis que se conocen actualmente. Su número se estima entre 10 20 y 10 24. Y es mucho mayor el número de las que se pueden construir teóricamente con un total de 30 átomos de carbono, nitrógeno, oxígeno y azufre: más de 10 60. Por no hablar del número de proteínas teóricas con unos 300 aminoácidos, cuyo número es del orden de 10 390.

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