Le interazioni con l'acqua dominano il modo in cui le molecole dei farmaci si legano ai bersagli, ma è difficile modellare queste interazioni, limitando l'accuratezza della progettazione del farmaco. In un recente articolo in Il Giornale di Fisica Chimica , da AIP Publishing, William A. Goddard III e Saber Naserifar del California Institute of Technology descrivono il loro nuovo approccio alla costruzione di una nuova descrizione dell'acqua (nota come campo di forza) e ne dimostrano l'accuratezza.

Goddard, professore di chimica e fisica applicata, è stato "sbalordito" dai risultati. "La descrizione che otteniamo si adatta a quasi tutte le proprietà dell'acqua in modo incredibilmente accurato, molto meglio di qualsiasi campo di forza precedente, " Egli ha detto.

La meccanica quantistica può descrivere con precisione solo piccoli sistemi, quindi la nostra comprensione dell'acqua liquida si basa su simulazioni che utilizzano campi di forza. Nonostante decenni di lavoro, gli attuali campi di forza non riescono a descrivere contemporaneamente tutte le proprietà dell'acqua. "Un campo di forza potrebbe fornire la corretta densità e vaporizzazione dell'acqua, ma potrebbe essere a 100 gradi dal punto di fusione, " disse Goddard. "Suona piuttosto male, ma è tutto quello che abbiamo avuto."

Questi modelli incompleti limitano la progettazione dei farmaci e limitano la nostra comprensione delle reazioni dei solventi industriali, incoraggiando gli scienziati a studiare alcune delle caratteristiche anomale dell'acqua. Per esempio, è stato suggerito che quando l'acqua è sottoraffreddata a basse temperature può esistere sia come liquido ad alta che a bassa densità, un'anomalia che potrebbe essere compresa molto meglio se fosse disponibile un buon campo di forza per l'acqua.

A differenza dei precedenti campi di forza, Goddard e Naserifar si sono concentrati sulla modellazione delle interazioni individuali dell'acqua. Lavorando "a ritroso, " hanno prima considerato le interazioni a lunga distanza, e poi ha aggiunto le cariche e la dinamica di polarizzazione. "I precedenti campi di forza non consentivano alle cariche di muoversi, questo è un progresso importante, " disse Goddard. Inoltre, per forti legami idrogeno, il team ha utilizzato recentemente pubblicato, molto preciso, calcoli del dimero d'acqua.

"Abbiamo usato la meccanica quantistica di alta qualità per ogni interazione individualmente:a lungo raggio, a corto raggio, legame idrogeno, polarizzazione:metti tutto insieme, l'ho testato e ho scoperto che era incredibilmente accurato, " ha detto Goddard. "Prevedere un punto di fusione per un liquido entro 0,2 kelvin. ... Questo è inaudito!"

Il loro nuovo campo di forza ha fallito solo su una proprietà:calcolare la velocità di diffusione delle particelle, o la costante di diffusione. Goddard e Naserifar sono "sconcertati" dall'irregolarità, ma rimani eccitato da ciò che il loro campo di forza ha raggiunto. Vogliono usarlo per indagare sulle proprietà anomale dell'acqua, e per vedere se migliora l'accuratezza della progettazione dei farmaci.