La percepción del sabor está gobernada por distintos receptores moleculares que se encuentran en nuestras papilas gustativas y que son responsables de que percibamos los sabores básicos (dulce, ácido, amargo, salado y umami), pero también sensaciones, como el picante o el frescor. Estos receptores de sabor funcionan de forma muy similar a otros receptores biológicos presentes en nuestro cuerpo que, en muchos casos, son empleados por la industria farmacéutica o la cosmética para diseñar productos que actúen sobre receptores concretos, de forma que identifican determinadas moléculas con capacidad para activar (o inhibir, según el caso) las actividades que modulan dichos receptores y, por tanto, dan respuesta a problemas específicos. Del mismo modo, pueden identificarse moléculas capaces de interaccionar con un determinado receptor de sabor, y así determinar su capacidad para activar la señal de percepción de un sabor concreto.

Esta ha sido la piedra angular de un ambicioso proyecto desarrollado por el área de I+D+i de Hijos de Rivera en colaboración con el Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA), el Fujitsu International Quantum Center y la Universidad Católica San Antonio de Murcia (UCAM). En este estudio investigaron la interacción que se produce entre el receptor de frescor y 100 moléculas diferentes presentes en el lúpulo. De esta forma, pueden identificar aquellas que mejor comportamiento presentan y, por tanto, cuáles tienen mayor capacidad para activar la percepción de frescor.

Aunque para conocer con total exactitud el comportamiento real de cada molécula son necesarias pruebas experimentales, estos experimentos en laboratorio suelen ser caros y requieren mucho tiempo y, además, no siempre es posible obtener cada molécula de forma aislada y con la pureza requerida a partir de una mezcla multicomponente, como es el caso de los ingredientes utilizados en alimentación. Por ello, se recurre a análisis in silico, que permite analizar computacionalmente miles de moléculas candidatas y son una forma rápida y barata de seleccionar aquellas que mejor comportamiento presentan. Además, el volumen de moléculas que puede analizarse por métodos computacionales es inalcanzable mediante las técnicas tradicionales de experimentación, ya que se necesitarían años para completar estos ensayos, por lo que estos métodos computacionales permiten abarcar un espacio exploratorio mucho mayor que, sin duda, ha contribuido al éxito en el descubrimiento de nuevas moléculas útiles para diversas industrias.

Dentro de la industria alimentaria, estas técnicas suponen un cambio de paradigma, ya que permiten optimizar el proceso de desarrollo de alimentos y bebidas funcionales o el diseño de productos con características organolépticas a la carta.

En este trabajo de Hijos de Rivera se han empleado técnicas de docking molecular, que permiten caracterizar la interacción que se produce entre receptor (proteína) y molécula (o ligando), incluyendo la disposición espacial que adopta la molécula, los enlaces formados entre molécula y receptor, la caracterización del tipo de enlaces creados, las distancias atómicas, el ángulo de enlace… En definitiva, se realiza una caracterización de la interacción de la forma más minuciosa que permite la tecnología actual y, gracias a ello, se puede identificar cuál es la magnitud de la interacción entre molécula y receptor y, por tanto, en este caso, cuáles son aquellas moléculas del lúpulo que mayor nivel de frescor generan.

Estas técnicas de docking suelen aplicarse en modelos de computación de altas prestaciones (high-performance computing, HPC), que son modelos de computación clásica que permiten el procesamiento en paralelo y que, por tanto, presentan capacidades de cálculo cientos de veces superiores a las de un ordenador personal. Para ello, se requiere el uso de centros de supercomputación con instalaciones de CPU y GPU adecuadas. En este estudio, en colaboración de Hijos de Rivera y el grupo Bio-HPC de la Universidad Católica San Antonio de Murcia, se analizan las interacciones entre las moléculas de lúpulo y el receptor de frescor mediante docking.

Sin embargo, estos modelos HPC no consiguen dar una respuesta adecuada al problema. Esto ocurre porque, aunque estas técnicas de cálculo han sido desarrolladas y mejoradas desde hace unos 50 años y son altamente precisas, siempre presentan alguna limitación, tanto en la capacidad de cálculo como en las imprecisiones derivadas de la simulación de un sistema con comportamiento cuántico en hardware y software diseñados con mecánica clásica. Debido a ello, y para tratar de buscar una solución a estos problemas, se han desarrollado los ordenadores cuánticos, que a pesar de que se encuentran en una fase todavía muy incipiente, prometen una resolución más eficiente de problemas de naturaleza cuántica, como es el que este proyecto tiene entre manos.

Esto ocurre principalmente porque, a diferencia de los ordenadores tradicionales, que utilizan bits para representar la información y que pueden tomar valores de 0 o 1, los ordenadores cuánticos utilizan qubits, que presentan una propiedad de los sistemas cuánticos conocida como superposición y que hace que estos qubits tomen múltiples estados al mismo tiempo y que, por lo tanto, puedan alcanzar valores de 0 y 1 simultáneamente. Esta propiedad de superposición otorga a los ordenadores cuánticos una capacidad de procesamiento exponencialmente mayor que la de un ordenador clásico (n bits= n² estados, n qubits=2ⁿ estados), de forma que representar un millón de estados posibles requeriría 1.000 bits, pero tan solo 20 qubits.

Entonces, para tratar de buscar una solución alternativa al problema, además de los modelos HPC, los investigadores exploraron las tecnologías cuánticas disponibles en la actualidad para evaluar sus ventajas y desventajas y comparar los resultados obtenidos. Entre ellas, se encuentra la computación cuántico- inspirada y la simulación cuántica, que utilizan algoritmos con base cuántica implementados en ordenadores clásicos; y la computación cuántica, que utiliza algoritmos y ordenadores cuánticos. Para ello, fue necesario el desarrollo de algoritmos específicos, ya que los utilizados en HPC son algoritmos de mecánica clásica y, por tanto, no válidos en el mundo cuántico. Este desarrollo, llevado a cabo en el Qmio y capitaneado por el Centro de Supercomputación de Galicia y el Fuijstu international Quantum Center, supone el primer uso de un ordenador cuántico para estudios de docking molecular.

Con él, desde Hijos de Rivera han podido estudiar las interacciones moleculares que se producen en el receptor de frescor, mejorando tanto los resultados obtenidos como la velocidad de cálculo de los sistemas HPC. Esto les permite el desarrollo e implementación de una nueva tecnología que dé apoyo a la generación de nuevas recetas con ingredientes no explorados hasta el momento.