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]

Warto poczytać

  1. lavrow1902018 21.07.2018

    Ławrow wzywa Pompeo do uwolnienia szpiega

    Minister spraw zagranicznych Rosji Siergiej Ławrow wezwał w sobotę w rozmowie telefonicznej sekretarza stanu USA Mike'a Pompeo do uwolnienia aresztowanej w Stanach Zjednoczonych pod zarzutami działalności szpiegowskiej na rzecz Moskwy Marii Butiny

  2. james-e-larkin-21072018 21.07.2018

    Wzywał do spowiedzi wszystkich, którzy głosowali za prawem do aborcji. Kapłan stał się niewygodny dla przełożonych

    W archidiecezji Dublińskiej doszło do przeniesienia księdza Jamesa E. Larkina do kapelanii. Powodem takiej są wystąpienia kapłana, który namawiał wiernych do spowiedzi, jeśli w referndum dotyczącym aborcji zagłosowali na „tak”

  3. inka-21072018 21.07.2018

    Pierwsze zagraniczne uhonorowanie "Inki"

    W kościele w Butrymańcach, miejscowości leżącej na trasie XXVIII Międzynarodowej Pielgrzymki Suwałki-Wilno, w sobotę poświęcono tablicę ze srebrnym sercem, upamiętniającą Danutę Siedzikównę - "Inkę". Tablicę przynieśli pielgrzymi

  4. sweden21072018 21.07.2018

    Ogromne pożary w Szwecji. Polscy strażacy wyruszyli na ratunek

    Po północy w sobotę ze Świnoujścia (Zachodniopomorskie) wyruszyła do Szwecji grupa polskich strażaków wraz ze sprzętem. Przez najbliższe dwa tygodnie Polacy będą uczestniczyć w akcji gaszenia pożarów w tym kraju.

  5. usarmy21072018 21.07.2018

    Mocne wsparcie z USA dla Ukrainy. Pentagon zapowiada dużą pomoc finansową

    Amerykańskie ministerstwo obrony zapowiedziało w piątek wydzielenie dodatkowej pomocy finansowej w wys. 200 mln dolarów USA dla Ukrainy na cele bezpieczeństwa

  6. fakenews30042018 20.07.2018

    „Większość użytkowników sieci nie potrafi krytycznie myśleć”. 82 procent czytelników nie rozpoznaje fake newsów

    Zdaniem badaczy większość użytkowników internetu jest pozbawiona umiejętności krytycznego myślenia.

  7. pilne20102017 20.07.2018

    Pilne! Nożownik zaatakował w autobusie. 14 osób rannych

    Do ataku nożownika doszło w Lubece, w północnych Niemczech. Mężczyzna miał zaatakować nożem podróżujących razem z nim pasażerów.

  8. 1270islamskiedzieci 20.07.2018

    Zatrważające dane – prawie połowa dzieci chodzi do meczetów

    Europa coraz bardziej traci swoją tożsamość. W imię multikulturowości coraz więcej dzieci w ramach lekcji chodzi na zajęcia do meczetów. W Holandii jest to nawet 41 proc. uczącej się młodzieży.

CS157fotoMINI

Czas Stefczyka 157/2018

PDF (9,17 MB)

pobierz najnowszy numer
archiwum numerów

Facebook