SEMICOMPLEX: la meccanica quantistica dalla teoria all’esperimento

Sviluppare nuove teorie per la descrizione quantomeccanica dei processi molecolari che siano accessibili a simulazioni al computer. Sono gli obiettivi del progetto ERC Consolidator "SEMICOMPLEX" che coinvolge un team di ricercatori dell'Università Statale di Milano guidati da Michele Ceotto, docente del dipartimento di Chimica, e che ha da poco centrato un significativo risultato, con un lavoro pubblicato su Nature Communications, avvicinandosi in modo più realistico alla descrizione dell’amminoacido glicina, grazie all’applicazione, in fase di simulazione, delle leggi della meccanica quantistica.

Ogni giorno le CPU (Central processing unit, il ‘cervello’ della macchina) di milioni di computer lavorano per simulare i moti del mondo molecolare, talmente piccolo da non essere accessibile nemmeno ai microscopi più potenti, con lo scopo di spiegare e guidare gli esperimenti. La stragrande maggioranza di queste simulazioni sono basate sulle leggi della fisica classica newtoniana del XVII secolo, ma, in realtà, le molecole, anche quelle più grandi come quelle biologiche - per esempio le proteine e il DNA - seguono le leggi della meccanica quantistica. La loro simulazione secondo queste leggi, però, è impensabile a causa dello sforzo computazionale richiesto, e per questo si preferisce adattarsi e usare la meccanica classica. E così, che fine ha fatto la meccanica quantistica che ha rivoluzionato la fisica del secolo scorso? E' solo un esercizio per pochi accademici?

Per cercare di colmare il divario tra teoria ed esperimento e fornire alla comunità scientifica uno strumento di calcolo intuitivo, i ricercatori della Statale stanno quindi lavorando a "nuove teorie per la descrizione quantomeccanica dei processi molecolari che siano accessibili a simulazioni al computer", spiega Michele Ceotto. Il lavoro, in particolare, si concentra sull'uso di sciami di traiettorie classiche per descrivere la dinamica quantistica delle vibrazioni molecolari (un approccio che si basa su salde fondamenta matematiche).

Nell’ambito di questi studi, i ricercatori del dipartimento di Chimica sono riusciti a calcolare la funzione d'onda quantistica vibrazionale di Schroedinger di un amminoacido, la glicina (nella sua forma protonata), e dimostrato che anche queste molecole biologiche sono soggette alle leggi della meccanica quantistica.

“La nostra ‘glicina quantistica’, che è la descrizione piu' realistica possibile di questa molecola, risulta piu' flessibile e allungata rispetto al modello classico usato finora, che invece descrive gli amminoacidi (e quindi le proteine) più rigidi”, spiega ancora Ceotto in merito allo studio che ha ottenuto la pubblicazione sull’autorevole rivista Nature Communications.

“Questi nuovi metodi teorici, detti “semiclassici” - conclude il responsabile del progetto -, stanno offrendo uno sguardo inedito e accurato sulla natura della dinamica vibrazionale molecolare e potranno offrire un aiuto insostituibile per comprendere meglio la natura della materia, interpretare gli esperimenti sul moto vibrazionale delle molecole ed elaborarne di nuovi”.