Хімічний Нобель: за спосіб візуалізації хімічних реакцій

Цього року Нобелівську премію з хімії отримали три хіміки-теоретики з США. Вони розробили комп'ютерну програму, яка моделює хімічні реакцій та великі молекули. Хімічні реакції часто відбуваються впродовж часток мілісекунди. Блискавично змінюються розташування електронів та атомних ядер. Експериментальними методами це неможливо унаочнити. Вони лише допомагають встановити, як молекули, що беруть участь у синтезі чи поділі, виглядають до і після реакції. Проте сам процес цікавив науковців: як саме відбувається розщеплення води в процесі фотосинтезу? Як діє каталізатор, коли об'єднує, наприклад, азот і водень в молекулі аміаку? Цьогорічні лауреати Нобелівської премії розробили спосіб, що дозволяє ці реакції побачити на екрані комп’ютера. 

 

 

Троє вчених – Мартін Карплус, Майкл Левітт та Ар'є Варшел – розробили комп'ютерну програму – так зване багатомасштабне моделювання – за допомогою якої можна спостерігати через монітор за поведінкою молекул можна спостерігати. Це стосується й дуже великих молекул, типових для біохімії.

 

Всім відома загальна модель молекули з уроків хімії. Її зображають за допомогою кульок та паличок. Однак її функція була нерозкритою. Її пояснювала теоретична хімія. Вона намагалася зобразити процес, який відбувається під час реакції з конкретною молекулою, і пояснити його роль у взаємодії між молекулами. У наші дні це робить комп'ютерне моделювання та лабораторні експерименти.

 

Троє лауреатів Нобелівської премії 2013 започаткували таку практику: їхня новаторська робота тривала майже 40 років. На початку 1970-х існувало два підходи до молекулярного моделювання: класичний метод, який розглядає молекули відповідно до принципів класичної механіки – як сукупність матеріальних точок, з'єднаних спіральними пружинами; та квантово-хімічний підхід, що базувався на описі електронів та атомних ядер, проте потребував дуже багато комп’ютерного часу, і тому годився лише для дослідження дуже малих молекул.

 

 

Лауреати Нобеліської премії з хімії 2013 р.: Мартін Карплус, Майкл Левітт та Ар'є Варшел

 

Карплус, Левітт і Варшел зуміли ще в 1970-х роках об'єднати ці два підходи в окремий, що зберігає актуальність донині. Вони визначили, що в ході хімічної реакції більшість молекул, що беруть у ній участь, залишається практично незмінною. Тільки одиничні атоми задіяні в реакції та в обміні електронами, що повязаний з нею. Комп'ютерна програма, яку розробили три хіміки, вираховує центр реакції дуже ґрунтовно на основі квантової хімії. Решта молекул можна змодельовути за допомогою класичної механіки, електрони при цьому до уваги не беруть. Це дозволяє зменшити необхідий час для обчислень на комп'ютері та отримати цілком достовірні результати.

 

Ар'є Варшел, як докторський співробітник, прийшов 1970 року до Мартіна Карплуса, що працював у Гарвардському університеті. Там обоє розробили програму, з якою вони вираховували молекули з подвійними зв'язками. Вони вперше використовували різні підходи до різних електронів в одній молекулі, залежно від того, чи сильніший чи слабший був зв’язок між ними. Варшел і Карплус могли таким чином імітувати коливального молекулярного спектру. Після певних удосконалень їм удалося моделювати складну структуру сітківки, визначальної для зору молекули.

Потім Варшел працював в Інституті Вейцмана в Реховоті (Ізраїль), а тоді перейшов до Кембриджа, де продовжив роботу разом з Майклом Левіттом, якого знав і до цього. Обоє займалися ферментами – білками, які каталізують біохімічні реакції, і зазвичай є комплексом одного або декількох білкових ланцюгів. Левітт і Варшел поліпшили комп'ютерну програму, досягнувши у 1976 р. зображення того, як білок лізоцим виконує свою функцію в організмі. Сьогодні таке моделювання універсальне, ним користуються в цілому світі,  його застосовують і, наприклад, у фармацевтичній промисловості для пошуку нових ліків.  

 

14.10.2013