Il computer come supermicroscopio per le molecole vitali

Se si vogliono comprendere i fondamenti della vita fin nei minimi dettagli, non c'è modo di evitare gli atomi. Le cellule sono costituite da molecole, che a loro volta sono costituite da atomi. Nella sua ricerca, la professoressa Sereina Riniker dell'ETH studia come le molecole si muovono a livello atomico e quali proprietà ed effetti hanno le molecole come risultato. I risultati di questa ricerca possono essere utilizzati, ad esempio, per migliorare le proprietà di potenziali principi attivi per i farmaci.

Per il suo lavoro nel campo della chimica computazionale, Sereina Riniker ha ricevuto il premio Latsis 2018 dell'ETH di Zurigo, che premia il lavoro scientifico eccezionale dei ricercatori dell'ETH di età inferiore ai 40 anni. Il premio viene tradizionalmente conferito in occasione dell'ETH Day. "Questo premio è una gradita sorpresa e un sostegno alla mia ricerca teorica e di base", afferma Sereina Riniker.

Come la chimica computazionale fa progredire la medicina

Il gruppo di ricerca di Sereina Riniker è noto per i suoi approcci innovativi allo studio delle proprietà dei peptidi ciclici, un gruppo speciale di molecole proteiche con struttura ciclica. Questa classe di composti è di grande interesse in medicina, poiché i peptidi ciclici hanno il potenziale, ad esempio, di inibire le interazioni tra le proteine.

Un prerequisito per il loro utilizzo come agenti attivi è che possano attraversare la membrana cellulare per raggiungere l'interno della cellula ed esercitarvi il loro effetto. Tuttavia, il superamento della membrana cellulare non è sempre facile a causa delle dimensioni dei peptidi.

Riniker utilizza il computer per studiare perché alcuni tipi di peptidi ciclici passano attraverso la membrana cellulare più facilmente e più velocemente di altri. I risultati di questa ricerca potrebbero fornire una base per ottimizzare nuovi principi attivi.

Dalla fisica classica al supercomputer

Nella motivazione del Premio Latsis dell'ETH di quest'anno si legge: "Come chimico computazionale, Sereina Riniker sviluppa algoritmi che permettono di seguire il movimento degli atomi in gruppi molecolari complessi e di ricavarne dati quantitativi" e ha individuato i principali problemi delle simulazioni classiche, che hanno a lungo ostacolato un'indagine chimicamente e fisicamente valida della dinamica di piccole biomolecole.

In realtà, la modellazione computazionale dei movimenti atomici di Riniker si basa sulle leggi fisiche del moto introdotte da Isaac Newton (1642-1726) nella meccanica. I calcoli necessari sono molto complessi e richiedono l'uso di cluster di computer.

L'enorme numero di interazioni e le unità di tempo estremamente brevi sono tra le sfide principali: Per calcolare i moti atomici, il movimento viene suddiviso in singoli passi, ognuno dei quali è breve come un femtosecondo, ossia 0,000 000 000 000 001 o 10^-15 Secondi. I passi temporali devono essere sufficientemente brevi per ridurre al minimo l'errore di calcolo. Per ottenere periodi di tempo rilevanti dal punto di vista sperimentale, è necessario calcolare un numero elevato di passi temporali.

Un mese per una simulazione

Oltre alla dimensione temporale, il numero di atomi nel sistema determina la complessità del calcolo. Le molecole piccole, come i peptidi ciclici, sono costituite da poche centinaia di atomi. Le molecole di grandi dimensioni come le proteine, insieme all'acqua circostante, comprendono da 10.000 a 100.000 atomi. Ciò comporta più di 100 milioni di interazioni per una singola simulazione, che devono essere calcolate in ogni singolo passo.

Anche i cluster di computer più moderni, come il computer ad alte prestazioni dell'ETH o il centro di calcolo nazionale CSCS di Lugano, richiedono circa un mese per simulare il movimento di un peptide ciclico su un periodo di un microsecondo. L'intervallo di tempo di diversi microsecondi è necessario per descrivere adeguatamente i movimenti di un peptide. Un gran numero di possibili cambiamenti viene calcolato al computer, in modo da scoprire come i cambiamenti influenzano le proprietà dei peptidi tra una moltitudine di possibilità. I risultati della simulazione vengono poi testati sperimentalmente in laboratorio.

Ulteriori approfondimenti sugli esperimenti in laboratorio

La simulazione al computer non sostituisce quindi la ricerca sperimentale in laboratorio, ma la integra: una simulazione di molecole più grandi, ad esempio, si basa su dati sperimentali. "Grazie ai metodi informatici, disponiamo di una sorta di microscopio che ci permette di osservare la dinamica molecolare a livello atomico e per singole molecole. Questo non è possibile con altri metodi", dice Riniker. "Con le simulazioni, possiamo completare i risultati sperimentali per ottenere un quadro complessivo".

Per ricercare argomenti complessi come le proprietà dei peptidi ciclici utilizzando simulazioni sono necessari programmi informatici specializzati. Il gruppo di ricerca di Sereina Riniker li sviluppa autonomamente. Inoltre, sono necessarie conoscenze approfondite in diverse aree delle scienze naturali interdisciplinari, come dimostra la composizione interdisciplinare del gruppo di lavoro di Riniker, in cui studenti, dottorandi e post-dottorandi di chimica, fisica, biologia e informatica lavorano a stretto contatto e si scambiano regolarmente idee. "La ricerca è un lavoro di squadra", conclude Sereina Riniker.