Desenmascarando la química artificial, la verdad definitiva


Diseño de Carlos Miranda (RSEQ)

Diseño de Carlos Miranda (RSEQ)

Si has entrado porque piensas que voy a fomentar el miedo a la química, te has equivocado.  Yo soy puramente químico, como tú, como todo.

De lo que voy a tratar aquí es de un campo no muy conocido de la investigación en química. Un campo teórico llamado, química artificial.

Este es un tema de investigación que se originó en el seno de los estudios de relativos a la vida artificial cuyo campo de aplicación abarca temas tales como:

  • Origen de la vida
  • Estructura y evolución de rutas metabólicas.
  • Aparición de estructuras autoorganizadas.
  • Computación química.

Esta rama de la química se nutre de ideas que provienen de la matemática y no es más que el intento de entender desde un punto de vista abstracto el funcionamiento de un sistema químico dado un conjunto de moléculas y unas reacciones químicas permitidas.  Es una idealización y una simplificación de la química real que nos permite capturar las características más básicas de la química.

El objetivo de esta entrada es la de dar a conocer este campo de investigación y la de presentar brevemente su fundamento y sus aplicaciones.  Espero que os interese el tema tanto como a mí.

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¿Qué es una química artificial?

0.5_210-cLa química artificial es justamente eso, una química que nos inventamos.  La química artificial es un hermoso juego donde el objetivo es estudiar, dado un conjunto de moléculas y reacciones permitidas, la dinámica del sistema diseñado.  En este universo de juguete definido en el juego podemos estudiar la aparición de estructuras estables, la transición de una química prebiótica a una química biológica, la aparición de moléculas autorreplicantes, la emergencia y optimización de rutas complejas de reacciones que podemos llamar metabolismo.

La definición de la química artificial, como vamos a ver en breve, es muy simple pero su aplicación es múltiple y variada.   Con la química artificial nos podemos enfrentar a una plétora de problemas de mucho interés teórico y práctico como por ejemplo:

  1. Modelización de sistemas complejos con alto grado de interactividad.
  2. Estudio de procesos de flujos y almacenamiento de información.
  3. Problemas de optimización, es decir, problemas que buscan la mejor solución de un problema bajo unas condiciones dadas.

En este campo de investigación se hace uso masivo de bonitas técnicas matemáticas como el estudio de los sistemas estocásticos (aleatorios), combinatoria, topología, teoría de grafos, etc.

Definiendo una química artificial

Para definir una química artificial necesitamos tres ingredientes:

  • Un conjunto S de elementos que llamaremos moléculas.  Es decir, en S estarán contenidas todas las posibles moléculas de nuestra química particular.  Todo lo que pueda ser creado en una reacción química en nuestro juego tiene que estar definido en S.
  • Un conjunto R de elementos que llamaremos reacciones.  Estas reacciones nos indicarán la forma en la que podemos transformar los elementos de S para formar unos a partir de otros.
  • Un conjunto A de elementos que llamaremos algoritmos.  Estos algoritmos nos indican cómo y bajo qué circunstancias podemos emplear un elemento de R, es decir, cuándo es posible que una determinada reacción tenga lugar.

Así pues, definir una química artificial no es más que dar la información (S,R,A).

Como esto está quedando muy abstracto para mi gusto, vamos a ir con un ejemplo para ver como funciona todo esto.  Luego dejaré referencias por si queréis profundizar en el tema.

La química de Hutton

Esta química, que ha sido definida en los trabajos del Dr. Tim J. Hutton, es muy simple. Vamos a describirla brevemente y luego veremos como funciona en todo su esplendor:

  • Tenemos un conjunto de moléculas S=\{a,b,c,d,e,f\}.  Eso es todo lo que hay.  En esta química estas moléculas son las unidades más básicas que no pueden ser expresadas como combinación de otras, por lo tanto se le da el nombre de átomos.
  • Además de especificar el átomo con el que estamos trabajando tenemos que especificar su estado.  Los estados vienen dados por números naturales, Estados=\{0,1,2,\dots\}.

Así pues distinguiremos entre situaciones como e2 y e7, que nos indican que tenemos un átomo de tipo e en el estado 2 o en el estado 7.

  • Nuestro universo será una malla bidimensional y rectangular. Los átomos se sitúan en los vértices de la malla y se pueden mover por ella de vértice en vértice.  El tiempo en este universo pasa en saltos discretos.

movatom

  • Ahora solo tenemos que especificar las reacciones permitidas en este sistema.  Dichas reacciones vienen dadas en la siguiente tabla:

reacciones

¿Qué significa esto?  Jugemos un poco con la primera reacción:

e8+e0\longrightarrow e4e3

Lo que nos indica esta reacción es que tenemos dos átomo de tipo e, uno en el estado 8 y otro en el estado 0 moviéndose por ahí por su universo.

movreac1

Los átomos reaccionarán cuando estén adjacentes en la red, dos vértices consecutivos, y lo harán de tal forma que se quedarán como átomos de tipo e pero cambiarán sus estados del 8 al 4 y del 0 al 3, respectivamente.

movreac2

¿A que está chulo?

Hay que aclarar que en esta química la cosa está simplificada al máximo.  En realidad no se forman moléculas unidas por enlaces.  Los átomos interactúan cambiando de clase y de estado, pero no forman paquetes ligados, el análogo a las moléculas químicas reales.  Eso quiere decir que un átomo de tipo e8 reaccionará con un átomo de tipo e0 siempre que se encuentren independientemente de con quién hayan interaccionado antes.  Sin duda esta es una grandísima simplificación respecto de la química natural (sí, he dicho natural porque la química se da en la naturaleza, de hecho la conforma) y real de nuestra vida diaria.

Por otro lado las reacciones del tipo:

x4y1\longrightarrow x2y5,

nos indican que dados dos átomos adyacentes de cualquier tipo pero en los estados 4 y 1 la reacción hará que cambien sus estados del 4 al 2 y del 1 al 5.

Así pues, las reacciones que tienen las letras x,y nos indican que son átomos de cualquier tipo los que pueden llevar a cabo la reacción.  Por supuesto, de cualquier tipo de los permitidos en nuestra química.

¿Y todo esto qué nos enseña?

A primera vista esto puede parecer un juego muy básico, entretenido pero poco instructivo.  Si ese es tu sentimiento mira el siguiente vídeo y luego hablamos.  El vídeo es una simulación por ordenador de reacciones siguiendo la química de Hutton partiendo de una configuración inicial de este tipo:

configuracioninicial

¡Sííííííííí!  En esta química tan simple se dan procesos de confinamiento de estructuras y de replicación de las mismas.  El problema es que los requerimientos computacionales son muy altos para intentar simular químicas cada vez más complejas.  Pero hasta la fecha este es el único ejemplo conocido de una química artificial mínima que permite autorreplicación.  El interés para los teóricos del origen de la vida es más que evidente.

Sin duda este es un campo del que vamos a poder aprender muchísimas cosas.  Espero haber picado vuestra curiosidad al respecto.  Creo que este desconocido campo es una buena elección para la investigación, es un campo joven y con muchas aplicaciones.  Para más información os remito a las referencias.

Referencias para empezar a andar

RBN-World. Sub-symbolic Artificial Chemistry for Artificial Life — Tesis Doctoral de Adam S. Faulconbridge (2011).

Artificial Chemistries – A Review  de Peter Dittrich, Jens Ziegler, and Wolfgang Banzhaf (2011)

Evolvable Self-Replicating Molecules in an Artificial Chemistry — Tim J. Hutton.  El trabajo en el que he basado la entrada.

Para que juguéis a diseñar vuestra química. Diseñad vuestro propio universo químico:

http://organicbuilder.sourceforge.net/

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Nos seguimos leyendo…

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20 Respuestas a “Desenmascarando la química artificial, la verdad definitiva

  1. rodrigo otoya iturri

    muy bueno!!

  2. Pingback: Life is life, naná nanana | Cuentos Cuánticos

  3. Diablos! hasta yo quedé en shock.

  4. Hola perdon por la pregunta fuera de tema, pero es cercana. Existen grupos de investigacion ( si me puede pasar la web) que trabajen en poder diseñar moleculas como medicamentos a voluntad con la forma tridimensional y los atomos que quieran?

  5. Pingback: Desenmascarando la química artificial, l...

  6. Antonio (AKA "Un físico")

    No creo que sea apropiado aplicar la química artificial en la investigación del origen de la vida. Para investigar sobre el origen de la vida, os recomiendo: es.wikipedia.org/wiki/Teoría_del_mundo_de_hierro-azufre , que es la forma “lineal” de entender mejor este proceso. (Si el proceso hubiera surgido a partir de reacciones no lineales, lo más probable es que nunca lleguemos a entenderlo).

    • Afortunadamente la ciencia no se fundamenta en creencias personales.

      • Antonio (AKA "Un físico")

        Te has colado Enrique. Cuando hace dos años y medio contacté con Claudia Huber (investigadora, en la línea de Munich, del origen de la vida) me respondió: “As you will see our approach is more practical than mathematical based”. Y es que ellos CREEN que para investigar el origen de la vida no hay que basarse tanto en modelos matemáticos.

        • Afortunadamente los avances científicos no se basan en la creencias personales.

          Además de que me parece pueril decir que no hay que estudiar y explorar cualquier vía que nos lleve a obtener conocimiento y a aprender sobre un tema. Lo diga quien lo diga, lo crea quien lo crea.

          Los modelos matemáticos son un excelente laboratorio mental para comprobar si una idea, proceso, mecanismo, etc, es factible. Con esta cosa tan simple han demostrado la aparición de células que se autorreplican, no está nada mal para mi gusto. Y te puedes poner en contacto con los otros 1000 investigadores que sí usan modelos matemáticos para el estudio del origen de la vida a ver qué opinan.

          Por cierto, debe de haber varios millones de personas que creen en los ángeles, casi seguro que alguno vive en Munich, ¿me lo tengo que tomar en serio? ¿Qué es esto, ciencia o democracia?

          • Antonio (AKA "Un físico")

            Enrique, me gustan tus entradas y con mis comentarios sólo intento corregirlas/ampliarlas. Esa gente de Munich no son unos mindundis cualquiera; son investigadores científicos de primerísimo nivel que, en contra de tu mantra (i.e. la ciencia no se fundamenta en creencias personales): sí basan su línea de investigación en las intuiciones de Wäschtershäuser (un abogado de profesión y químico de vocación).
            Hace tiempo discutí con un catedrático de Barcelona sobre la idoneidad de iniciar en su universidad una línea de investigación, mediante las matemáticas estas de las que hablas, aplicadas al origen de la vida. Yo no lo ví claro, se lo expliqué y creo que le hice dudar.
            Enrique si tú conoces personalmente a investigadores (a alguna de esas 1000 personas que sí usan modelos matemáticos para el estudio del origen de la vida) y quieres ponerme en contacto con ellos, sabes que soy Antonio Sesé y creo que todavía conservas mi email. (A tus conocidos investigadores les diría lo mismo que a ese catedrático de Barcelona).

            • Veras, esto es así se simple. Nadie está en posesión de la verdad si no lo demuestra, así que, decir que una línea de investigación sea más o menos acertada basándose en gustos personales no es muy científico. Eso como punto 1.

              Me parece perfecto quien crea que no se pueden aplicar las matemáticas al problema del origen de la vida, cada uno es libre de creer en lo que quiera, pero no es ciencia. Afortunadamente hay mucha gente que opina lo contrario y sigue con la tarea produciendo resultados viables, contrastables y entendibles. Eso como punto 2.

              Como punto 3, basta buscar en google a gente que trabaja en esos temas, no es tan difícil, creo yo. De hecho, en las referencias que he dado tienes una amplia lista de gente que se dedica a eso. Yo no te puedo dar direcciones de amigos así como así, espero que lo entiendas. Pero vamos, que en el siglo XXI el que no quiere encontrar algo es porque no tendrá muchas ganas.

              • Antonio (AKA "Un físico")

                Es difícil hablar contigo cuando parece que no me escuchas.
                Punto 1: te has empeñado en que yo prefiero éste o aquél estudio del origen de la vida basándome en mis gustos personales.
                Punto 2: te has empeñado en que yo creo que no se pueden aplicar las matemáticas al problema del origen de la vida.
                Punto 3: me ofrecí con buena voluntad, pero la oferta ya no sigue en pie.
                A ver Enrique, supongo que por internet te encontrarás con mucha gente que no tenga ni idea de lo que hable (no es mi caso).
                Ya me ha pasado en alguna otra discusión contigo que te empeñas en defender tu postura rebatiendo algo que no he dicho. A ver si dejas de hacerlo y te fijas mejor en lo que yo te digo.

                • A ver si es que no sé leer, que todo pudiera ser en este mundo.

                  Cito textualmente:

                  No creo que sea apropiado aplicar la química artificial en la investigación del origen de la vida.

                  Comentario de Antonio (AKA “Un físico”) enviado el 20/10/2014 a las 12:36.

                  Fin de la cita.

                  Cito textualmente:

                  Te has colado Enrique. Cuando hace dos años y medio contacté con Claudia Huber (investigadora, en la línea de Munich, del origen de la vida) me respondió: “As you will see our approach is more practical than mathematical based”. Y es que ellos CREEN que para investigar el origen de la vida no hay que basarse tanto en modelos matemáticos.

                  Comentario de Antonio (AKA “Un físico”) enviado el 21/10/2014 a las 13:20

                  Fin de la cita.

                  Así que:

                  Punto 1: Yo no me empeño en nada, solo digo que la gente tiene que explorar todas las opciones. Y no decir que algo merece o no merece ser estudiado basándose en gustos personales.

                  Punto 2: La química artificial es matemática aplicada, nada más y nada menos. Y luego tu metiste a no se qué grupo de investigación y ampliaste de la química artificial (matemática aplicada) a los modelos matemáticos en general, véase las citas textuales anteriores.

                  Punto 3: No sé a qué oferta te refieres.

                  Yo no puedo juzgar lo que sabes o dejas de saber. Y sobre lo que te rebato cosas que no dices, o bien no te acuerdas de lo que dices y escribes o bien tienes en mente algo diferente a lo que estás escribiendo. Para mi desgracia mis capacidades cerebrales aún no me permiten saber lo que piensa cada uno, así que juzgo lo que leo.

                  • Antonio (AKA "Un físico")

                    Por enésima vez, yo no digo que “algo merece o no merece ser estudiado basándose en gustos personales” eso es algo que tú dices que yo digo. Pero yo digo “no creo que sea apropiado aplicar la química artificial en la investigación del origen de la vida”. Para afirmar lo que yo afirmo me baso en la línea de investigación del origen de la vida de los de Munich. Científicos de primerísima fila que se han decantado por estudiar el origen de la vida desde un punto de vista de la química normal, no de esa química artificial que implica modelizaciones abstractas matemáticas. Lo que digo tiene sentido. Lo que no puedo es discutir intentando justificar lo que tú crees que yo he dicho.
                    A ver Enrique, ahora imagínate que no te habla un mendrugo de esos que se encuentran habitualmente en internet. Imagínate que te habla un catedrático de tu facultad y reléete lo que yo he escrito (no te leas tus comentarios; léete sólo lo que yo he escrito, ¿a que lo que digo tiene sentido?). Pues claro que lo tiene. Las modelizaciones matemáticas aplicadas a la química tendrán mucho futuro y servirán para mucho; pero eso de que sirvan para estudiar el origen de la vida está en duda ya que la línea de Munich ha avanzado mucho sin basarse en esas modelizaciones matemáticas.

                    • Yo no veo la diferencia entre lo que yo digo que dices y lo que tú dices que dices. Tal vez es cuestión de matices. Pero para que quede claro lo que yo digo:

                      Afortunadamente la ciencia no se construye decidiendo si algo es apropiado o no basándose en creencias o gustos personales.

                      Así que si tú no crees que hay que usar modelos matemáticos para estudiar el origen de la vida me parece perfecto, yo opino lo contrario y la gente que se dedica a eso mismo también.

                      Y si eres un catedrático de mi facultad pásate mañana por mi despacho y te invito a un café y verás como te digo exactamente lo mismo. Me da igual si eres catedrático, albañil o astronauta. Porque seas lo que seas es una falacia eso de que la línea de Munich ha avanzado mucho sin basarse en modelizaciones matemáticas, es una falacia por dos motivos:

                      a) Que una línea de investigación sea provechosa no significa que otra alternativa no lo sea.
                      b) La línea de investigación esa de Munich de la que tanto hablas ha generado modelos matemáticos.

                      Sí, una falacia por muy catedrático que seas o fueses.

  7. Pingback: Desenmascarando la química artificial, la verdad definitiva

  8. Solo una cosa, quería programarlo esta tarde a ver si consigo la autoreplicación en mi ordenador, pero sólo hay 8 reacciones que involucran hasta el estado cuántico N=8 en la química de Hutton que das.. Sin embargo en el ejemplo de autoreplicación la cadena inicial contiene átomos muy excitados (niveles 36 y 37).. ¿Hay más reglas que describan las reacciones posibles para estos niveles tan altos? De nuevo, gracias!

  9. Me ha encantado. Simple y sublime. Felicidades una vez más!

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