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. downingstreet23012018 23.01.2018

    Fake news to nie tylko polski problem! Rząd Theresy May będzie walczył z dezinformacją

    - Rzecznik brytyjskiej premier Theresy May zapowiedział we wtorek, że rząd planuje powołanie specjalnej instytucji poświęconej komunikacji i bezpieczeństwu narodowemu, która będzie zwalczać próby dezinformowania opinii publicznej, w tym przez państwa trzecie.

  2. stalin23012018 23.01.2018

    "Śmierć Stalina" nie dla Rosjan. "To zaplanowana prowokacja wymierzona w komunistów"

    - Ministerstwo kultury Rosji cofnęło we wtorek wydaną wcześniej decyzję o dopuszczeniu do kin brytyjsko-francuskiej komedii "Śmierć Stalina".

  3. 1270putinkremlin 23.01.2018

    Wściekły atak na rosyjski Memoriał. Nie mogą im darować walki o prawa człowieka?

    Do kolejnych incydentów wymierzonych w Stowarzyszenie Memoriał, organizację broniącą praw człowieka, doszło we wtorek na rosyjskim Kaukazie Północnym, w Dagestanie. Pracownicy Memoriału otrzymują telefoniczne pogróżki, wcześniej podpalono ich auto

  4. merkel22012018 22.01.2018

    Prezydent Niemiec wzmaga presję na kanclerz Merkel. "Niemcy oczekują nowego rządu"

    - Prezydent Niemiec Frank-Walter Steinmeier powiedział, że po czterech miesiącach od wyborów parlamentarnych mieszkańcy kraju oczekują powstania nowego rządu, wzmagając w ten sposób - w ocenie dpa - presję na CDU/CSU i SPD ws. utworzenia koalicji.

  5. pentagon22012018 22.01.2018

    Pentagon potwierdza: Rosjanie budują największą bombę w historii!

    Przygotowany przez Pentagon raport o stanie arsenału atomowego, który niedawno wyciekł do mediów, potwierdza, że taka broń istnieje.

  6. Cottbustt 22.01.2018

    Gorąca atmosfera tuż obok polskiej granicy! Niemieckie miasto ma dość uchodźców

    W Chociebużu (Cottbus) we wschodnich Niemczech po sobotniej kilkusetosobowej demonstracji przeciw obecności uchodźców doszło do utarczek między obywatelami Niemiec a cudzoziemcami. Interweniowała policja - donoszą w poniedziałek lokalne media

  7. Marszdlazyciaparyz 22.01.2018

    Francuzi po raz kolejny przeszli w obronie życia. Antifa zaatakowała uczestników gazem!

    Niedzielny marsz dla życia w Paryżu został zakłócony między innymi przez Femen i Antifę. Obecnie we Francji przeprowadza się około 200 tysięcy zabiegów aborcji rocznie

CS151fotMINI

Czas Stefczyka 151/2018

PDF (5,47 MB)

pobierz najnowszy numer
archiwum numerów

Facebook