Nobel z chemii za komputerowe modele układów chemicznych

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.