Che­mi­jos pre­mi­ja bu­vo įteik­ta trims JAV dir­ban­tiems moks­li­nin­kams už su­kū­ri­mą kom­piu­te­ri­nio mo­de­lio, nu­ma­tan­čio su­dė­tin­gas che­mi­nes reak­ci­jas, ku­rios ga­li bū­ti nau­do­ja­mos, tar­ki­me, nau­jų vais­tų kū­ri­mui. Jie ap­jun­gė kla­si­ki­nę ir kvan­tų fi­zi­ką. Lai­mė­to­jai yra Mar­ti­nas Kar­plu­sas, dir­ban­tis Stras­bour­go uni­ver­si­te­te Pran­cū­zi­jo­je ir Har­var­do uni­ver­si­te­te; Michae­las Lev­ittas iš Stan­for­do uni­ver­si­te­to med­ic­in­os mo­kyk­los ir Arieh'as War­shelas iš Pie­tų Ka­li­for­ni­jos uni­ver­si­te­to Los An­dže­le.

Eksperimentų perkėlimas į kibererdvę

Cheminės reakcijos vyksta žaibiškai; elektronai tarp atomų peršoka slapčia nuo smalsių mokslininkų akių. 2013 metų Chemijos premijos laureatai padarė įmanomą paslaptingą chemijos stebėjimą kompiuteriais. Nuodugnus cheminių procesų išmanymas leidžia optimizuoti katalizatorius, vaistus ir fotoelektrinius elementus. Viso pasaulio chemikai kasdien rengia ir atlieka eksperimentus kompiuteriais. Pasitelkę metodus, kuriuos Martinas Karplusas, Michaelas Levittas ir Arieh'as Warshelas ėmė kurti dar aštuntajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje, jie tiria kiekvieną mažiausią sudėtingų cheminių procesų žingsnelį, nematomą plika akimi.

Tam, kad jūs, skaitytojau, suprastumėte, kaip žmonija gali tuo pasinaudoti, pradėsime nuo pavyzdžio. Užsivilkite laboratorinį chalatą, nes turime jums iššūkį: sukurti dirbtinę fotosintezę. Ši cheminė reakcija, vykstanti žaliuose lapuose, pripildo atmosferą deguonimi ir yra viena iš būtinų gyvybės Žemėje sąlygų. Bet ji taip pat įdomi iš aplinkosauginės perspektyvos. Galėdami pamėgdžioti fotosintezę, galėsime sukurti efektyvesnius fotoelektrinius elementus. Kai skaidomos vandens molekulės, randasi ne tik deguonis, bet ir vandenilis, kurį galima naudoti automobilių kurui. Taigi, yra svari priežastis užsiimti šiuo projektu. Jei pasiseks, galėsite prisidėti prie šiltnamio efekto problemos sprendimo.

Vaizdas pasako daugiau, nei tūkstantis žodžių – bet ne viską

Pirmiausia jūs ko gero eisite į internetą ir susiieškosite trimatį fotosintezę vykdančių baltymų atvaizdą. Tokie atvaizdai laisvai prieinami didelėse interneto duomenų bazėse. Savo kompiuteriu gaIėsite vaizdus kraipyti ir sukinėti kaip tinkami. Juose vaizduojamos molekulės yra milžiniškos, susidedančios iš dešimčių tūkstančių atomų. Kažkur vidury yra mažas regionas, vadinamasis reakcijų centras. Čia vandens molekulės ir skaidomos. Tačiau reakcijoje dalyvauja tik keli atomai. Be visų kitų, matote keturis mangano jonus, vieną kalcio joną ir keletą deguonies atomų. Vaizdas aiškiai parodo, kaip jonai ir atomai išsidėstę vienas kito atžvilgiu, bet nieko nesako, ką šie atomai ir jonai veikia. Tą jums ir reikia išsiaiškinti. Reikia kažkaip iš vandens ištraukti elektronus ir pasirūpinti keturiais protonais. Kaip visa tai vyksta?

Šio proceso detales atsekti tradiciniais chemijos metodais praktiškai neįmanoma. Daug dalykų įvyksta per milisekundės dalį – dėl tokios spartos daugelis eksperimentų mėgintuvėlyje atkrenta. Iš kompiuteryje esančio atvaizdo nuspėti reakcijos vyksmą irgi sunku, nes jis buvo darytas baltymui esant ramybės būsenoje. Tačiau, kai saulės šviesa pasiekia žalius lapus, baltymai užsipildo energija ir visa atominė struktūra pasikeičia. Norint suprasti cheminę reakciją, reikia žinoti, kaip atrodo šis energingasis būvis.

Štai čia ir pasitelkiate kompiuterines programas, kurioms pagrindus paklojo 2013 m. Chemijos Nobelio premijos laureatai.

Teorija ir praktika – sėkmingas bendradarbiavimas

Naudodami tokią programinę įrangą, galite paskaičiuoti įvairias tikėtinas reakcijos vykimo kryptis. Tai vadinama simuliavimu arba modeliavimu. Taip galima suprasti, kokį vaidmenį tam tikri atomai atlieka skirtingose cheminės reakcijos stadijose. O kai žinote tikėtiną reakcijos vyksmą, lengviau paruošti eksperimentus, galinčius patikrinti kompiuterio pateiktus duomenis. Šie eksperimentai, savo ruožtu, gali pateikti naujų užuominų, leidžiančių kurti dar geresnes simuliacijas; teorija ir praktika viena kitą skatina. Dėl to chemikai dabar tiek pat laiko praleidžia prie savo kompiuterių, kiek ir tarp mėgintuvėlių.

Taigi, kuo tokios ypatingos kompiuterinės programos, apdovanotos Chemijos Nobelio premija?

Apjungia tai, kas geriausia iš abiejų pasaulių

Anksčiau, kai mokslininkai norėdavo simuliuoti molekules kompiuteriais, jie tam naudodavo programinę įrangą, paremtą klasikinėmis Niutono fizikos teorijomis arba kvantų fizika. Abi turėjo savo stipriąsias ir silpnąsias puses. Klasikinės fizikos programos galėjo apskaičiuoti ir apdoroti dideles molekules. Jos galėjo vaizduoti molekules tik ramybės būsenoje, bet gerai pavaizduodavo, kaip atomai išsidėstę molekulėse. Tačiau šių programų nebuvo galima naudoti cheminių reakcijų simuliavimui. Vykstat reakcijai, molekulės prisipildo energijos, jos sužadinamos. Klasikinė fizika paprasčiausiai neturi supratimo apie tokias būsenas ir tai yra labai didelis apribojimas.

Kai mokslininkai norėdavo simuliuoti chemines reakcijas, jie turėdavo naudotis kvantų fizika; dualistinė teorija, kai elektronai gali būti dalelės ir bangos tuo pat metu ir kur garsusis Schrödingerio katinas, paslėptas dėžėje tuo pat metu gali būti gyvas ir miręs. Kvantų teorijos stiprybė ta, kad ji nėra šališka ir modelyje nebus jokių mokslininko išankstinių prielaidų. Taigi, tokios simuliacijos yra tikroviškesnės. Blogoji pusė yra tai, kad šiems skaičiavimams reikia milžiniškos skaičiavimo galios. Kompiuteris turi apdoroti kiekvieną molekulės elektroną ir kiekvieną atomo branduolį. Tai galima sulyginti su taškų skaičiumi skaitmeniniame atvaizde. Daug taškų suteiks didelę raišką, bet reikės daugiau kompiuterio išteklių. Panašiai ir kvantų fizikos skaičiavimai suteikia detalų cheminio proceso apibūdinimą, bet reikalauja galingų kompiuterių. Aštuntajame dešimtmetyje tai reiškė, kad mokslininkai galėjo atlikti tik mažų molekulių skaičiavimus. Modeliuodami jie turėjo ignoruoti sąveikas su aplinka, nors tikros cheminės reakcijos dažniausiai vykdomos kokiame nors tirpale. Tačiau, jei mokslininkai būtų norėję į skaičiavimus įtraukti ir tirpiklį, rezultatų jiems būtų reikėję laukti dešimtmečius.

Taigi, klasikinė ir kvantų chemija buvo fundamentaliai skirtingi, ir kai kuriais aspektais konkuruojantys, pasauliai. Bet 2013 chemijos Nobelio premijos laureatai atvėrė vartus tarp šių dviejų pasaulių. Jų kompiuteriniuose modeliuose Niutonas ir jo obuolys bendradarbiauja su Schrödingeriu ir jo katinu.

Kvantų chemijos bendradarbiavimas su klasikine fizika

Pirmasis žingsnis link šio bendradarbiavimo buvo žengtas aštuntojo dešimtmečio pradžioje Martino Karpluso laboratorijoje Harvardo universitete Kembridže, JAV. Karplusas buvo tvirtai įleidęs šaknis kvantų pasaulyje. Jo tyrimų grupė kūrė kompiuterines programas cheminių reakcijų simuliavimui naudojančias kvantų fiziką. Jis taip pat sukūrė „Karpluso lygtį“, naudojamą branduolių magnetinio rezonanso tyrimuose (BMR) – metode, gerai žinomame chemikams, besiremiančiame molekulių kvantų chemijos savybėmis. Filosofijos daktaro laipsnio gavimui Arieh'as Warshelas atvyko į Karpluso laboratoriją 1970-aisiais. Doktorantūroje jis mokėsi Weizmanno Mokslų institute Rehovote, Izraelyje. Institutas turėjo galingą kompiuterį, Golem, pavadintą pagal žydų folkloro padarą. Su Golemu, Arieh'as Warshelas ir Michaelas Levittas sukūrė pirmąją klasikinėmis teorijomis pagrįstą kompiuterinę programą. Ji leido modeliuoti visokias molekules, netgi išties dideles biologines.

Kai Arieh'as Warshelas prisijungė prie Martino Karpluso Harvarde, jis atsivežė ir klasikinės fizikos kompiuterinę programą. Naudodami ją kaip pradžios tašką, jis ir Karplusas pradėjo kurti naują programą, su skirtingais elektronais atlikdavusią skirtingus skaičiavimus. Daugumoje molekulių kiekvienas elektronas skrieja aplink konkretaus atomo branduolį. Bet kai kuriose molekulėse, kai kurie elektronai gali nevaržomai judėti tarp keleto atomų branduolių. Tokių „laisvų elektronų” galima rasti, pavyzdžiui retinalyje, akies tinklainėje įsitaisiusioje molekulėje. Karplusas jau seniai domėjosi retinaliu, kadangi molekulės kvantų chemijos savybės veikdavo tam tikrą biologinę funkciją; šviesai paveikus retinalį, laisvi jo elektronai įgauna energijos ir molekulės forma pasikeičia. Tai yra pirmasis žmogaus regos žingsnis.

Galiausiai Karplusui ir Warshelui pavyko modeliuoti retinalį. Tačiau pradėjo jie nuo paprastesnės struktūros panašių molekulių. Jie sukūrė kompiuterinę programą, vaizdavimui naudojusią kvantų fiziką, skaičiuodama laisvuosius elektronus, ir taikiusią klasikinę fiziką visiems kitiems elektronams ir visiems atomų branduoliams. 1972 m. jie publikavo savo rezultatus. Tai buvo pirmas kartas, kai pavyko įgyvendinti bendradarbiavimą tarp klasikinės ir kvantų fizikos chemijoje. Programa buvo pradininkė, tačiau turėjo vieną apribojimą. Ji galėjo tvarkytis tik su molekulėmis, kurioms būdinga veidrodinė simetrija.

Universali gyvybės chemijos skaičiavimo programa

Po dviejų metų Harvarde, Ariehas Warshelas vėl apsijungė su Michaelu Levittu. Levittas buvo pabaigęs doktorantūros studijas Kembridžo universitete, JK, kuris tuo metu buvo biologinių molekulių, tokių, kaip DNR, RNR ir baltymai, tyrimų pasaulinis lyderis. Jis naudojo savo klasikinės fizikos kompiuterinę programą, norėdamas geriau suprasti, kaip atrodo biologinės molekulės. Tačiau apribojimas išliko – buvo galima tirti tik ramybės būsenoje esančias molekules. Levitto ir Warshelo tikslai buvo aukštesni. Jie norėjo sukurti programą, kurią būtų galima naudoti fermentų – baltymų, valdančių ir lengvinančių chemines reakcijas gyvuose organizmuose – tyrimui. Dar būdamas jaunas studentas, Warshelas susidomėjo fermentų veikimu. Tai dėl fermentų bendro veikimo įmanoma gyvybė. Jie kontroliuoja praktiškai visą gyvų organizmų chemiją. Norint suprasti gyvybę, reikia suprasti fermentus.

Kad galėtų simuliuoti fermentines reakcijas, Levittui ir Warshelui reikėjo priversti klasikinę ir kvantų fiziką sklandžiau bendradarbiauti. Visų kliūčių įveikimas užtruko keletą metų. Savo tyrimus jie pradėjo Weizmanno institute Rehovote, bet Levittas po kelių metų baigė savo podaktarinius mokslus ir persikraustė atgal į Kembridžą, kur prie jo prisijungė Warshelas. 1976 m. jie pasiekė savo tikslą ir paskelbė pirmąjį fermentinės reakcijos kompiuterinį modelį. Jų programa padarė perversmą, nes galėjo būti naudojama bet kokioms molekulėms. Simuliuojant chemines reakcijas, molekulių dydis nebebuvo kliūtis.

Dėmesys veiksmo centrui

Dabar, modeliuodami cheminius procesus, chemikai taiko jėgą ten, kur to reikia. Jie atlieka daug išteklių reikalaujančius kvantų fizikos skaičiavimus su tais elektronais ir atomų branduoliais, kurie tiesiogiai veikia cheminį procesą. Taip jie gauna geriausią įmanomą raišką ten, kur tai svarbu. Kitos molekulių dalys modeliuojamos klasikinėmis formulėmis. Kad nešvaistytų skaičiavimo išteklių, Michaelas Levittas ir Arieh'as Warshelas apkarpė skaičiavimus dar labiau. Kompiuteriui ne visada reikia vertinti kiekvieną atomą ne tokiose įdomiose molekulės vietose. Jie parodė, kad skaičiuojant, įmanoma netgi apjungti keletą atomų.

Dabar skaičiavimuose mokslininkai dar prideda ir trečią simuliavimo sluoksnį. Paprastai tariant, tolimiausiuose nuo cheminio proceso regionuose, kompiuteris gali apjungti atomus ir molekules į vieną homogenišką masę. Mokslo bendruomenėje tai vadinama dielektrine terpe.

Kaip toli simuliacijos mus nuves, parodys ateitis

Tai, kad dabar mokslininkai eksperimentų atlikimui gali naudoti kompiuterius, suteikė daug gilesnį supratimą apie cheminių procesų vyksmą. Martino Karpluso, Michaelo Levitto ir Arieh'o Warshelo sukurto metodų stiprioji vieta yra universalumas. Juos galima naudoti visokioje chemijoje, nuo gyvybės molekulių iki pramonės cheminių procesų. Keletas iš daugybės panaudojimo pavyzdžių galėtų būti fotoelektrinius elementus, variklių katalizatorių ar net vaistų optimizavimas.

Tačiau čia pažanga nesustos. Vienoje iš savo publikacijų, Michaelas Levittas rašo apie vieną savo svajonę: simuliuoti gyvą organizmą molekuliniu lygmeniu. Tai labai viliojanti mintis. 2013 chemijos Nobelio premijos laureatų sukurti kompiuteriniai modeliai yra galingi įrankiai. Kiek tiksliai jie gali praplėsti mūsų žinias, parodys ateitis.

Tekstas: Ann Fernholm

Iliustracijos: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Redagavimas: Perina Stjernlöf

©The Royal Swedish Academy of Sciences

Komentarai (0)