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Computación Voluntaria

La importancia de la solubilidad

Para que un determinado compuesto químico sea absorbido por las células humanas, es preciso que atraviese la membrana celular. Esto es válido para compuestos con efectos beneficiosos (por ejemplo, fármacos) o malignos (por ejemplo, toxinas e contaminantes). Este proceso de absorción implica la interación de un compuesto con ambientes líquidos que van desde los más hidrofílicos (con afinidad para el agua) hasta los más hidrofóbicos (que repelen el agua).

En la imagen:Esquema de una membrana celular típica. El fluido extracelular o citoplasma son típicamente hidrofílicos, mientras que el interior de la membrana es fuertemente hidrofóbico.

Así, la capacidad de las células humanas para absorber e incorporar fármacos y toxinas está fuertemente relacionada con las diferencias de solubilidad de los compuestos en disolución acuosa y orgánica. Para desarrollar un nuevo medicamento, cientos de compuestos se prueban en el laboratorio, lo cual incrementa el costo y el tiempo necesarios para este desarrollo. Muchos de estos compuestos se descartan ya que no poseen las propiedades de solubilidad adecuadas para su uso práctico. Si fuera posible predecir con anticipación la solubilidad de un compuesto nuevo a partir únicamente de su estructura molecular, seríamos capaces de desarrollar fármacos eficaces en mucho menos tiempo y coste. Del mismo modo, el cálculo anticipado de la solubilidad de un compuesto nos permite estimar el grado de toxicidad, lo que tendría un impacto significativo en los estudios ambientales.

Prever la solubilidad en el ordenador

La solubilidad de un determinado compuesto está directamente relacionada con la energía libre de solvatación. La energía libre de solvatación es una de las propiedades termodinámicas más importantes, permitiendo estimar no solo la solubilidad sino también el grado de parición de una molécula en disoluciones de diferentes características. La energía libre de solvatación puede ser calculada con precisión a través de métodos de simulación molecular acoplados a un algoritmo de interacción termodinámica. Básicamente, la simulación comienza con el compuesto inmerso en una caja de solvente. A continuación gradualmente se hace "desaparecer" el compuseto, monitorizando la variación de energía del sistema a lo largo del proceso. Finalmente, integrando la curva de energía, se obtiene la energía libre de solvatación del compuesto en este disolvente.

En la imagen: Ejemplo de variación de energía libre de a medida que se va haciendo "desaparecer" el soluto (en este caso una molécula de benceno, en verde) disuelto en agua (moleculas en azul).

Disolver compuestos en Ibercivis

El cálculo de las energías de solvatación a través de simulación molecular computacional es una labor muy preciso, pero muy exigente desde el punto de vista comutacional. Por ejemplo, el cálculo de la energía de solvatación de un solo compuesto sencillo en agua requiere unas 500 horas de cálculo en un ordenador personal. Teniendo en cuenta el gran número de compuestos que tienen que ser probados y la amplia variedad de disolventes utilizados, es esencial el uso de plataformas de computación avanzadas, tales como IBERCIVIS.

El objetivo de este proyecto es predecir computacionalmente las energías libres de solvatación de un gran número de compuestos en una variedad de disolventes. El tipo de solutos estudiados van desde moléculas simples (por ejemplo, etanol) hasta las más complejas (por ejemplo, fármacos y toxinas multifuncionales), y los solventes atraviesan toda la gama de la polaridad, desde el agua a los hidrocarburos. Esta amplia variedad de sistemas permitirá desarrollar y probar los modelos moleculares, los cuales pueden ser utilizados como herramientas de predicción para el uso general. La capacidad de predecir la solubilidad de un nuevo compuesto basado únicamente en su estructura molecular tiene un impacto potencial en el descubrimiento de fármacos y la evaluación de la toxicidad de los compuestos a los que los seres humanos pueden estar expuestos.

En la imagen: Ejemplo de un compuesto farmacéutico (esferas grandes) disuelto en agua (moléculas en azul).