Una superordenador penetra en los orígenes de la vida

Un grupo de investigación norteamericano, liderado por el director del centro de Biofísica Molecular del Oak Ridge National Laboratory (ORNL) en Tennessee, Jeremy Smith, ha usado una superordenador para reproducir una reacción química orgánica que puede haber sido importante en la evolución de los ácidos ribonucleicos o ARN en las formas de vida primitivas, según un comunicado de la institución estadounidense.

"Las simulaciones por ordenador pueden proporcionar información sobre los sistemas biológicos que no puede conseguirse de otra manera", afirma Smith. "Dado que estas estructuras están cambiando tanto, los aspectos dinámicos son difíciles de entender, pero la simulación informática es una buena manera de hacerlo."

En este caso, los científicos utilizaron el superordenador Kraken, de Tennessee, para realizar la simulación de dinámica molecular. Se trata de una técnica que permite que los átomos y las moléculas interactúen durante un periodo de tiempo, posibilitando la visualización del movimiento de las partículas. De este modo, la dinámica molecular entiende a los materiales y a las moléculas como cuerpos animados y no como entidades estáticas.

La simulación se realizó sobre un tipo de moléculas de ARN llamadas ribozimas. Éstas son capaces de almacenar información genética y acelerar reacciones químicas, dos características imprescindibles en la formación de la vida. Concretamente, el equipo estudió una ribozima cultivada en el laboratorio que cataliza la reacción conocida como Diels-Alder, que tiene múltiples aplicaciones en química orgánica.

"La vida significa hacer que las moléculas se reproduzcan y eso es algo muy complejo. Si una ribozima como la de Diels-Alder es capaz de hacer química orgánica para construir moléculas complejas, es posible que algo similar pueda haber sucedido para crear los cimientos de la vida”, conjetura Smith.

La potencia de la supercomputación también sirvió para ayudar a que el equipo de investigación encontrase una explicación teórica de por qué la ribozima Diels-Alder necesita magnesio para funcionar. Los modelos computacionales de los movimientos internos de la ribozima permitieron a los investigadores captar y entender los detalles más pequeños de las reacciones más rápidas, lo que hasta ahora había sido imposible debido a la naturaleza estática de las técnicas experimentales convencionales, como las pruebas químicas y los análisis de rayos X, incapaces de revelar la dinámica del sistema.

En ese sentido, Smith explica en el comunicado que los cálculos de su grupo mostraron cómo la dinámica interna de las ribozimas incluye un sitio activo o "boca" que se abre y se cierra para controlar la reacción. La concentración de iones de magnesio afecta directamente a los movimientos de la ribozima. "Cuando no hay magnesio presente, la boca se cierra, el sustrato no puede entrar y la reacción no puede tener lugar. Hemos descubierto que el magnesio obliga a la ribozima a mantener la boca abierta", asegura.

La investigación fue publicada en la revista de la Sociedad Americana de Química. Además de Smith, participaron dos de sus estudiantes de posgrado, Tomasz Berezniak y Zahran Mai, y Andrés Jäschke de la Universidad de Heidelberg. La mayor parte de las simulaciones se llevaron a cabo en el superordenador Kraken y los datos resultantes se analizaron en el Centro Interdisciplinario de Computación Científica de la Universidad de Heidelberg.

También en España

Hace tan solo quince días el Centro de Supercomputación de Barcelona (BSC) anunciaba que dos de sus investigadores, Modesto Orozco, Director de Ciencias de la Vida del BSC y jefe del grupo de Modelización y Bioinformática del Instituto de Investigación Biomédica de Barcelona (IRB), y Guillem Portella, investigador del grupo de Modelización y Bioinformática del IRB, habían conseguido resolver por primera vez el plegamiento de un ácido nucleico mediante técnicas de dinámica molecular, gracias a la ayuda del superordenador MareNostrum.

Hasta ahora, hacer un seguimiento de estas estructuras biológicas empleando la potencia de cálculo de un PC significaba tener que esperar cientos de años para observar los resultados. Sin embargo la supercomputación reduce enormemente los tiempos. Gracias a ello, el nuevo descubrimiento de Orozco y Portella, permitirá, a corto y medio plazo, diseñar estrategias terapéuticas basadas en ácidos nucleicos. Éste es el caso de las estrategias de ARN de interferencia que se posicionan como la gran esperanza para el tratamiento de enfermedades complejas de origen genético, como el cáncer. Los resultados de la investigación se publican en la revista Angewandte Chemie.

El superordenador MareNostrum, en funcionamiento desde 2005, es el más potente de España y uno de los más importantes de Europa, aunque en la actualidad ocupa el puesto número 87 de la última lista Top500 publicada en junio de este año. Su mejor posición la consiguió en noviembre de 2006, cuando ascendió hasta el quinto puesto de la tabla. Las primeras plazas son para EEUU, China y Alemania.