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. Merkel23102017 23.10.2017

    Polityk CDU ujawnia: Merkel przesuwa partię w lewo

    Polityk CDU Alexander Mitsch opowiedział się w wywiadzie dla radia Deutschlandfunk za wymianą kierownictwa chadeckiej partii. Jego zdaniem Angela Merkel przesunęła CDU za bardzo na lewo, co nie podoba się członkom partii o poglądach konserwatywnych.

  2. Sarahwiki 23.10.2017

    Kardynał Sarah ostro o narzucaniu gender w Afryce: to forma kolonializmu

    Narzucanie ideologii Afryce to forma współczesnego kolonializmu - mówił w poniedziałek w Warszawie prefekt Kongregacji ds. Kultu Bożego i Dyscypliny Sakramentów kard. Robert Sarah podczas V sesji kongresu Ruchu "Europa Christi".

  3. ISIS 23.10.2017

    Masowe mordy w kilkadziesiąt godzin. Oto co się działo, gdy ISIS wkraczało do miasta

    Bojownicy Państwa Islamskiego (IS) zabili co najmniej 128 osób w al-Karjatajn, w środkowej Syrii, w ciągu trzytygodniowych rządów dżihadystów w tym mieście - poinformowało w poniedziałek Syryjskie Obserwatorium Praw Człowieka.

  4. Kataloniapremier05102017 23.10.2017

    "To próba poniżenia". Kataloński przywódca komentuje decyzję hiszpańskich władz

    Parlament Katalonii zbierze się w czwartek rano w celu wypracowania odpowiedzi na sobotnią decyzję rządu Hiszpanii o odebraniu władzom Katalonii ich kompetencji - poinformował w poniedziałek rzecznik proniepodległościowej koalicji "Razem Na Tak".

  5. Skocznia 23.10.2017

    Narty zamienia na kartę do głosowania. Popularny skoczek został... posłem!

    Jakub Janda otrzymał 2265 głosów i dostał się do Izby Poselskiej czeskiego parlamentu. W związku z tym 39-letni skoczek narciarski zamierza zakończyć sportową karierę. "Tych dwóch zajęć nie da się pogodzić" - podkreślił.

CS148fotMINI

Czas Stefczyka 148/2017

PDF (10,17 MB)

pobierz najnowszy numer
archiwum numerów

Facebook