Interacties met water domineren hoe medicijnmoleculen binden aan doelen, maar het is lastig om deze interacties te modelleren, het beperken van de nauwkeurigheid van het medicijnontwerp. In een recent artikel in The Journal of Chemical Physics , van AIP Publishing, William A. Goddard III en Sabre Naserifar van het California Institute of Technology beschrijven hun nieuwe benadering voor het bouwen van een nieuwe beschrijving van water (bekend als een krachtveld) en demonstreren de nauwkeurigheid ervan.

Goddard, hoogleraar scheikunde en toegepaste natuurkunde, was "verbijsterd" door de resultaten. "De beschrijving die we krijgen past ongelooflijk nauwkeurig bij bijna alle eigenschappen van water, veel beter dan enig eerder krachtveld, " hij zei.

Kwantummechanica kan alleen kleine systemen nauwkeurig beschrijven, dus ons begrip van vloeibaar water is afhankelijk van simulaties met krachtvelden. Ondanks tientallen jaren werk, huidige krachtvelden kunnen niet alle eigenschappen van water tegelijkertijd beschrijven. "Eén krachtveld kan de juiste dichtheid en verdamping van water geven, maar kan 100 graden van het smeltpunt af zijn, "zei Goddard. "Het klinkt behoorlijk slecht, maar het is alles wat we hebben gehad."

Deze onvolledige modellen beperken het ontwerp van geneesmiddelen en beperken ons begrip van industriële oplosmiddelreacties, wetenschappers van brandstof voorzien om enkele van de afwijkende kenmerken van water te onderzoeken. Bijvoorbeeld, er is gesuggereerd dat wanneer water wordt onderkoeld tot lage temperaturen, het kan voorkomen als vloeistof met zowel een hoge als een lage dichtheid, een anomalie die veel beter zou kunnen worden begrepen als er een goed krachtveld voor water beschikbaar zou zijn.

In tegenstelling tot eerdere krachtvelden, Goddard en Naserifar richtten zich op het modelleren van de individuele interacties van water. Werken "achteruit, "Ze overwogen eerst langeafstandsinteracties, en vervolgens ladingen en polarisatiedynamiek toegevoegd. "Vorige krachtvelden lieten geen lading toe om te bewegen, dit is een belangrijke vooruitgang, "zei Goddard. Ook, voor sterke waterstofbruggen, het team gebruikte onlangs gepubliceerde, zeer nauwkeurig, water dimeer berekeningen.

"We gebruikten kwantummechanica van hoge kwaliteit voor elke interactie afzonderlijk - lange afstand, korte afstand, waterstofbinding, polarisatie - zet het allemaal bij elkaar, testte het en ontdekte dat het ongelooflijk nauwkeurig was, "zei Goddard. "Het voorspellen van een smeltpunt voor een vloeistof binnen 0,2 kelvin. ... Dat is ongehoord!"

Hun nieuwe krachtveld faalde slechts op één eigenschap:berekenen hoe snel deeltjes zich verspreiden, of de diffusieconstante. Goddard en Naserifar zijn "verbaasd" over de onregelmatigheid, maar blijven opgewonden door wat hun krachtveld heeft bereikt. Ze willen het graag gebruiken om de afwijkende eigenschappen van water te onderzoeken, en om te zien of het de nauwkeurigheid van het medicijnontwerp verbetert.