¿Podemos simular completamente la física molecular?

Depende del nivel de teoría que desee aplicar a una simulación.

Por ejemplo, los cálculos ab-initio de última generación para una sola energía baja ($\lt 10~eV$) el electrón que se acerca e interactúa con una molécula puede hacer frente a quizás 20 a 40 electrones en la molécula objetivo. Tenga en cuenta que los cálculos ab-initio no contienen, en principio, aproximaciones. Por lo tanto, las moléculas diana con 10 o más átomos son muy difíciles de calcular para esta situación.

Muchas simulaciones de dinámica molecular pueden hacer frente a cientos o incluso miles de moléculas pequeñas, pero tienen dos restricciones; normalmente tienen potenciales de interacción simplificados entre las moléculas y pueden funcionar durante escalas de tiempo relativamente cortas, quizás en el rango de picosegundos como máximo. Entonces, para simular sistemas con miles de átomos, necesitamos hacer aproximaciones. Las simulaciones de dinámica molecular pueden hacer muchas predicciones útiles del comportamiento de los átomos y las moléculas a nivel molecular, tanto de las interacciones físicas como de las interacciones químicas, pero lo hacen a expensas de hacer algunas aproximaciones en la teoría, por lo que no son ab- initio .

Simular una célula viva actualmente solo sería posible si se hicieran muchas aproximaciones y simplificaciones. Habría que hacer muchas más que en las típicas simulaciones de dinámica molecular.

Para dar un ejemplo de las aproximaciones que se requerirían para simular una célula, considere el plegamiento de proteínas. Las proteínas se sintetizan en las células como largas cadenas de aminoácidos. Estas cadenas se pliegan espontáneamente en su forma funcional normal. Comprender cómo se pliegan las proteínas es un desafío considerable, y es notable que las proteínas se plieguen en formas individuales que tienen funciones muy específicas y útiles para la célula. Por lo tanto, para simular una célula completa, sería necesario hacer suposiciones sobre la rapidez con la que se producen y se pliegan las proteínas. No sería posible calcular el plegamiento de cada proteína individual en la célula porque es un desafío bastante difícil en este momento calcular el plegamiento de una sola proteína.

Por lo tanto, calcular una celda completa es todo un desafío en este momento, y es imposible desde el punto de vista de la física ' ab-initio '.

Sin embargo, es un desafío interesante a considerar, y se puede obtener una idea útil de la simulación de la celda, aunque se necesitarían muchas aproximaciones para simularla.

Los métodos de química computacional han avanzado significativamente en los últimos 5 a 10 años, incluidos métodos DFT mucho más precisos, métodos dinámicos mecánicos cuánticos (como Car Parrinello MD y mejores técnicas clásicas de dinámica molecular.

Dicho esto, tratar con la dinámica de las reacciones moleculares es un área activa de investigación. Quizás la técnica más prometedora en este momento es ReaxFF , un método de dinámica molecular capaz de manejar algunos tipos de reacciones.

Hay varios grandes problemas sin resolver.

El principal, creo, es que tradicionalmente hemos diseñado métodos de mecánica cuántica y dinámica molecular para manejar las especies más estables en estado fundamental. Es decir, por definición, no especies reactivas.

Otro problema es el muestreo. Por definición, las reacciones son eventos raros. Por lo tanto , se necesitan técnicas de muestreo de eventos raros para manejar adecuadamente las estadísticas sin requerir grandes cantidades de tiempo de simulación.

Pero no creo que necesitemos métodos completamente precisos para entender mucho sobre las células. Como se menciona en otras respuestas, hay modelos más "gruesos" o continuos que también pueden decirnos mucho.

¿Por qué no eliminar partes innecesarias de la celda solo por viabilidad computacional? En lugar de simular cada átomo en la celda, ¿por qué no simular todo dentro de una pequeña sección de un solo orgánulo en un solo banco de computadora, haciendo que interactúe con una serie de otros bancos de computadora que simulan y reaccionan con secciones igualmente pequeñas de orgánulos, mientras simulan sólo el orgánulo y la materia que lo rodea inmediatamente. Usando un sistema de este tipo, las computadoras individuales podrían manejar unos pocos átomos cada una, simuladas con un nivel de detalle muy alto, mientras que cada pequeña sección cambiaría constantemente, el manejo de cada átomo se pasaría entre las computadoras simulando las áreas circundantes para que todo el orgánulo podría simularse sin problemas, aunque lentamente. La computación cuántica parece una forma prometedora de aumentar considerablemente la velocidad de este proceso en caso de que se convierta en una tecnología más viable. De ninguna manera soy un experto en este campo, pero soy bastante bueno con las computadoras y he estudiado un poco sobre biología celular y no sé si debería ser posible, pero ridículamente costoso y poco práctico.