Jedynie prawda jest ciekawa

Nobel z chemii za komputerowy model reakcji chemicznej

09.10.2013

Tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii przyznano twórcom komputerowego modelowania reakcji chemicznych - Martinowi Karplusowi, Michaelowi Levittowi i Ariehowi Warshelowi.

Reakcje chemiczne zachodzą tak szybko - w ułamku milisekundy - i w tak małej skali, że nie da się bezpośrednio obserwować każdego ich etapu. Przykładem mogą być reakcje w katalizatorze oczyszczającym spaliny, zielonym liściu prowadzącym proces fotosyntezy czy w żywej komórce. Kiedyś chemicy budowali modele cząsteczek z plastikowych piłek i patyczków. Teraz używają komputerów.

Aby modelować reakcje chemiczne, komputerowe modele musiały łączyć zasady klasycznej fizyki z egzotycznymi regułami fizyki kwantowej. W przypadku fizyki klasycznej obliczenia są łatwe i można badać bardzo duże cząsteczki, ale tylko w stanie spoczynku. Pod wpływem przepływu energii kształt cząsteczki ulega zmianie. Dlatego do opisu potrzebna jest mechanika kwantowa. Jednak w jej przypadku obliczenia muszą uwzględniać zachowanie każdego jądra atomowego i każdego elektronu – są skomplikowane i dlatego możliwe tylko w przypadku małych cząsteczek. Tegorocznym noblistom udało się skutecznie połączyć oba rodzaje obliczeń. Gdy na przykład lek działa na białkowy receptor, obliczenia kwantowe dotyczą atomów bezpośrednio zaangażowanych w reakcję, podczas gdy zachowanie liczącej tysiące atomów reszty cząsteczki opisuje fizyka klasyczna.

Pod koniec lat 60. Levitt i Warshel pracowali w izraelskim Instytucie Weizmanna. Przy pomocy należącego do Instytutu "Golema" - jednego z najpotężniejszych wówczas na świecie komputerów - opracowali program, który metodami fizyki klasycznej pozwalał modelować cząsteczki chemiczne wszelkiego rodzaju, nawet ogromne cząsteczki biologiczne. W roku 1970 Warshel przeniósł się na Harvard, gdzie podjął współpracę z Karplusem, mającym doświadczenie w dziedzinie mechaniki kwantowej. Interesowało go zwłaszcza zachowanie elektronów w cząsteczkach odpowiedzialnych za proces widzenia.

W roku 1970 Karplusowi i Warshelowi udało się opracować model reakcji zachodzących w siatkówce oka, który jako pierwszy łączył zasady klasycznej fizyki z mechaniką kwantowej. Miał on jednak ograniczenie - sprawdzał się tylko w przypadku cząsteczek o symetrii lustrzanej.

Po dwóch latach spędzonych na Harvardzie Warshel znów połączył siły z Levittem, który zrobił w międzyczasie doktorat na uniwersytecie w Cambridge. Razem postanowili stworzyć program, który pozwalałby modelować zachowanie enzymów - białek, dzięki którym działają żywe komórki. Udało się to w roku 1976. Program, łączący fizykę klasyczną i kwantową zrewolucjonizował badania nad cząsteczkami biologicznym - nadawał się do modelowania nawet największych z nich. Aby nie marnować bezproduktywnie mocy obliczeniowej komputera, obecnie stosowane programy modelują zachowanie cząsteczek na trzech poziomach - atomy o kluczowym znaczeniu modelowane są w oparciu o zasady mechaniki kwantowej, mniej ważne - metodami fizyki klasycznej, zaś te najbardziej oddalone - jako jednolita masa. Prace tegorocznych noblistów mają uniwersalne znaczenie. Oprócz tworzenia nowych leków, mogą znaleźć zastosowanie w przemyśle, na przykład przy tworzeniu nowych katalizatorów czy sprawniejszych baterii słonecznych. Komputery stały się dla chemików narzędziem równie ważnym, co probówki - jednak nie zastępują ich całkowicie. Wyniki doświadczeń modelowane są komputerowo, a komputerowe symulacje - sprawdzane doświadczalnie.

Niespełnionym na razie marzeniem Levitta pozostaje symulowanie działania całego organizmu na poziomie molekularnym.

Zainteresował Cię artykuł? Dołącz do nas na Facebooku!

PAP, lz

[fot: PAP/EPA]

Słowa kluczowe:

Nobel

,

nagroda

,

chemia

,

atom

Warto poczytać

  1. 05RUMUNIASTANDARDYUESI26072017 26.07.2017

    Rumunia też ma dość podwójnych standardów żywności w UE

    Tym samym Rumunia dołączyła do takich krajów, jak Polska, Czechy, Słowacja, Węgry i Bułgaria, których przedstawiciele krytykują branżę spożywczą za zaniżanie jakości produktów przeznaczonych na rynki Nowej Unii.

  2. 03POGLUPIELIWBRUKSELISI26072017 26.07.2017

    W Brukseli pogłupieli? Po Polsce grożą teraz USA!

    KE za Rosją, a przeciw Polsce i USA. Eurokraci najpierw pogrozili Polsce za naprawianie sądów i odmowę przyjmowania migrantów, a teraz ostrzegają administrację Donalda Trumpa ws. sankcji wobec Rosji.

  3. USALiban26072017 26.07.2017

    USA wesprze uchodźców w Libanie

    USA przekażą Libanowi dodatkowe 140 mln dolarów na pomoc dla syryjskich uchodźców - poinformował w środę Departament Stanu USA. We wtorek w Waszyngtonie z prezydentem USA Donaldem Trumpem spotkał się premier Libanu Saad Hariri.

  4. DimitrisAwramopulos26072017 26.07.2017

    KE: kolejny etap procedury m.in. przeciwko Polsce ws. relokacji

    Komisja Europejska poinformowała w środę, że przeszła do kolejnego etapu procedury przeciwko Polsce, Czechom i Węgrom w związku "z niewywiązywaniem się przez te kraje ze spoczywających na nich obowiązków związanych z relokacją uchodźców".

  5. Prad 26.07.2017

    Ukraina wstrzymuje dostawy prądu dla Donbasu

    Od środy wstrzymano dostawy prądu do zajętej przez separatystów części obwodu donieckiego, na wschodzie Ukrainy - poinformował Wsewołod Kowalczuk, p.o. szefa państwowego operatora Ukrenerho. Wcześniej przerwano dostawy dla separatystów w obwodzie ługańskim.

CS145fotMINI

Czas Stefczyka 145/2017

PDF (8,85 MB)

pobierz najnowszy numer
archiwum numerów

Facebook