Con la ayuda de miles de procesadores de alto rendimiento, una investigación interdisciplinar de la UPV/EHU ― en la que han participado informáticos, físicos y químicos―, y en la que han colaborado varias universidades internacionales, ha conseguido realizar una de las simulaciones más precisas del mecanismo de una molécula clave de la fotosíntesis.
La conversión de la energía solar a una forma química para su almacenamiento y posterior uso en diferentes procesos bioquímicos esenciales se trata de un proceso fundamental para la vida en la Tierra. La fotosíntesis, el paso de convertir la energía de los fotones en electrones excitados en la clorofila de las plantas, se ha estudiado con anterioridad por su potencial a la hora de desarrollar tecnologías que optimicen la producción agraria, su utilidad para mejorar placas solares. Y ahora, por primera vez, gracias a la utilización de las superordenadores es posible conocer las reacciones que suceden en los primeros femtosegundos ―10-15 fs―, de este proceso biofisicoquímico, que en su totalidad continúa siendo desconocido ya que lo científicos no saben exactamente cómo las plantas absorben la luz.
En esta ocasión, el equipo liderado por el ingeniero informático de la UPV/EHU Joseba Alberdi ha replicado la molécula Light Harvesting Complex II (LHC-II), compuesta por más de 17.000 átomos, que usan las plantas para mejorar la eficiencia en la captación de la enrgía solar. La complejidad de replicar la molécula LHC-II supone tal reto que, de momento, se han conseguido simular “sistemas de 5.759, 4.050 y 6.075 átomos”, señala el ingeniero, “de acuerdo con los datos de los que disponemos, son las mayores hechas hasta ahora”.
A través de la mejora de un software denominado OCTOPUS, utilizado para hacer cálculos, y algunas de los superordenadores más rápidos del mundo ―el alemán Juqueen (con 458.752 núcleos de procesamiento o cores), el italiano Fermi (con 163.840 núcleos), el alemán Hydra (65.320 núcleos) y el español MareNostrum III (48.896 núcleos)―, los investigadores han conseguido reformular dos teorías cuánticas de la densidad electrónica, ambas hipótesis que se barajan acerca del funcionamiento de la fotosíntesis.
“Las ecuaciones son tan complejas que son imposibles de resolver, incluso para los superordenadores más potentes”, explica el informático. Debido a esto el objetivo principal de su tesis ha consistido en mejorar el rendimiento de estos procesadores, optimizando el código OCTOPUS, para conseguir factores de aceleración adecuados en los cálculos que se realizan en los superordenadores y poder resolver problemas de mecánica cuántica que, debido a los largos tiempos de ejecución, no podrían haberse realizado de ninguna otra forma. De hecho, para poder ejecutar este código en múltiples procesadores se han tenido que mejorar diversos problemas de memoria y de rendimiento con la ayuda del grupo ALDAPA del Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores (Facultad de Informática) y el grupo Nano-Bio Spectroscopy del Departamento de Física de Materiales (Facultad de Químicas), bajo la dirección de Javier Muguerza y Ángel Rubio. Al tratarse de una aplicación de software libre estará al alcance de todos los científicos.
Referencias
Jornet-Somoza, J. Alberdi-Rodriguez, B.F. Milne, X. Andrade, M.A.L. Marques, F. Nogueira, M.J.T. Oliveira, James J. P. Stewart and A. Rubio. Insights into colour-tuning of chlorophyll optical response in green plants, Physical Chemistry Chemical Physics, July 2015. DOI: 10.1039/C5CP03392F
X. Andrade, D. Strubbe, U. Giovannini, A.H. Larsen, M.J.T. Oliveira, J. Alberdi-Rodriguez, A. Varas, I. Theophilou, N. Helbig, M. Verstraete, L. Stella, F. Nogueira, A. Aspuru-Guzik, A. Castro, M.A.L. Marques, A. Rubio. Real-space grids and the Octopus code as tools for the development of new simulation approaches for electronic systems, Physical Chemistry Chemical Physics, February 2015. DOI: 10.1039/C5CP00351B
Edición realizada por Jon Gurutz Arranz Izquierdo a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa.