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Estudiar las
reacciones de transferencia de hidrógeno experimentalmente es difícil
porque las reacciones se producen en escalas de tiempo ultrarrápidas de
femtosegundos y los sistemas de enzimas son demasiado grandes como para
obtener espectros detallados. Describirlas teóricamente en sistemas
grandes como son las enzimas es difícil debido a la dinámica cuántica de
los protones.
Los algoritmos de computación precisos exigen un equilibrio entre
tener en cuenta los efectos cuánticos fuertes entre pocos grados de
libertad y efectos cuánticos débiles en el conjunto del sistema grande.
Ahora los científicos han desarrollado un método de este tipo gracias a
la financiación de la Unión Europea para el proyecto «VASPT2: A method
for targeted quantum dynamics of hydrogen transfer reactions» (VASPT2).
Los investigadores dividieron el sistema en regiones activas
(pequeñas y locales) y regiones de baño (grandes y globales). A
continuación, se aplicó un enfoque radicalmente computacional sobre las
regiones activas y se trató el resto del sistema y el acoplamiento entre
regiones con un enfoque de campo medio. Este último se centra en una
partícula o entidad y sustituye todas las interacciones con otras
entidades por una interacción media. El nuevo método se aplicó al ácido
fórmico, un sistema prototípico con correlaciones débiles y fuertes.
Como resultado, se observó que las predicciones teóricas de las
funciones de onda vibracionales (bandas espectrales fundamentales)
coincidían bien con los valores experimentales.
El equipo del proyecto también desarrolló un método para describir
las superficies de energía potencial semiglobales relacionadas con las
reacciones de transferencia de hidrógeno. Una vez más, debe hallarse el
equilibrio entre la carga computacional y la necesidad de describir la
dinámica cuántica. Los miembros de VASPT2 utilizaron un nuevo método de
regresión lineal para ajustar la superficie de energía potencial
semiglobal que minimiza el «sobreajuste» y no crea huecos no físicos.
Los nuevos marcos de trabajo se implementaron en un nuevo conjunto
de programas para dinámica cuántica llamado DYNAMOL y proporcionan
descripciones computacionalmente eficientes y precisas de las reacciones
de transferencia de hidrógeno. Se espera que ayuden a responder a una
de las incógnitas más importantes en bioquímica: averiguar si los
efectos cuánticos son importantes para las reacciones enzimáticas o no.
Así, VASPT2 ha realizado una aportación muy valiosa al diseño de
procesos de catálisis mejorados que son muy importantes en muchas
reacciones relevantes para la industria.