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. italy22042018 22.04.2018

    Imigranci przekraczają granicę włosko-francuską. Kordon policji rozbija… Antifa (wideo)

    Świetna organizacja środowisk lewicowych wspierających nielegalnych imigrantów.

  2. sejm22042018 22.04.2018

    Mniejszość niemiecka w Polsce domaga się większych praw. "Chcemy więcej lekcji niemieckiego"

    Działacze mniejszości niemieckiej w Polsce domagają się utrzymania prawa uczniów do nauki języka niemieckiego zarówno jako obcego, jak i ojczystego.

  3. gender22042018 22.04.2018

    Chłopiec czy dziewczynka? Rodzice nie zdecydowali. „Lubi malować paznokcie i bawić się ciężarówkami”

    Rodzice dwuletniego „Zoomera” nie odpowiedzieli na jedno z pierwszych pytań, które zadają sobie wszyscy ci, którzy dowiadują się, że ich rodzina się powiększy.

  4. Le-Mont-Saint-Michel 22.04.2018

    Panika we Francji. Będzie kolejny zamach?

    Francuskie władze w niedzielę poinformowały o ewakuacji będącej atrakcją turystyczną wyspy Le Mont-Saint-Michel u zachodnich wybrzeży kraju. Policja szuka mężczyzny, który zachowywał się w podejrzany sposób i który według świadka rano groził policjantom

  5. 1270dtrump 21.04.2018

    Rosja przypuściła atak na niespotykaną skalę. Znaleźli chętnych partnerów w sztabie Trumpa?

    Komitet Narodowy Partii Demokratycznej złożył pozew sądowy, w którym oskarżają Donalda Trumpa, jego współpracowników, Wikileaks oraz Federację Rosyjską o konspirację mającą na celu zmianę wyniku wyborów.

  6. 1270jews 21.04.2018

    Europejski Żydzi ponad prawem? „Powinni mieć broń!”

    Jeden z najpoważniejszych europejskich rabinów Menachem Margolin domaga się od europejskich ministrów żeby pozwolili osobom pochodzenia żydowskiego na posiadanie broni bez specjalnych zezwoleń. Jego zdaniem to najlepszy sposób by powstrzymać antysemickie ataki.

  7. Warszawa3 21.04.2018

    Jedna z najważniejszych decyzji dla światowego bezpieczeństwa zapadnie w Warszawie?

    Warszawa, według Bloomberga, jest jednym z dziewięciu miast rozważanych jako potencjalne miejsce spotkania przywódcy Korei Północnej Kim Dzong Una z prezydentem USA Donaldem Trumpem. Szczyt jest planowany na maj lub czerwiec

CS154fotoMINI

Czas Stefczyka 154/2018

PDF (7,35 MB)

pobierz najnowszy numer
archiwum numerów

Facebook