Самой престижной научной наградой были отмечены работы по методам химического моделирования, исследования в области клеточного транспорта и очень давнее предсказание существования одного бозона.
За разработку методов многоуровневого моделирования сложных химических систем
Лауреаты: Мартин Карплус (Страсбургский университет), Арье Варшель (Университет Южной Калифорнии), Майкл Левитт (Стэнфордский университет).
Вопрос строения окружающей материи издавна волновал людей. Современные атомистические воззрения восходят к древнегреческому философу Демокриту, полагавшему, что мир состоит из бесконечного числа безостановочно движущихся атомов. При столкновении атомы сцепляются, и именно так, по мнению философа, возникает осязаемая материя. Но атомистика была забыта на два тысячелетия, и сейчас уже трудно сказать, какими представлял себе атомы сам Демокрит. В новое время идея атомистики воскресла: к началу ХХ века в арсенале ученых уже была периодическая система элементов Менделеева, был открыт электрон, и постепенно стало понятно, что межатомные взаимодействия и химическая связь имеют электронную природу. Затем последовало создание квантовой физики, Шрёдингер сформулировал свое знаменитое уравнение, но потребовались еще десятки лет и появление быстродействующих компьютеров, чтобы для изучения стала доступна структура самой сложной материи — биологической.
Современная химия во многом полагается на компьютерное моделирование. При этом различные элементы обсчитываются исходя из различных моделей. Квантово-химические расчеты выполняются только для небольшой группы атомов в реакционном центре.
Обоюдный подход
Работа, за которую в этом году присуждена Нобелевская премия по химии, посвящена методам моделирования сложных химических систем и реакций с помощью как классической, так и квантово-механической теории. Классическая физика представляет атомы шариками, асвязи между ними- пружинками (не так ли представлял себе материю еще Демокрит?). Силы, действующие на атомы, определяются законом Гука, ускорения атомов под действием этих сил определяются вторым законом Ньютона, и все описание в целом является механическим, поэтому подход так и называется — молекулярно-механический. Но у него есть существенный недостаток: никак нельзя описать химическое превращение. В реальности это соответствует разрыву одних химических связей иобразованию других, а в молекулярно-механической модели означало бы удаление и установку пружинок.
Зеркально-симметричная молекула 1,6-дифенил-1,3,5-гексатриена – первый объект компьютерного моделирования, доказавший реальность создания гибридных методов, сочетающих в себе достоинства классических и квантовых в описании сложных химических систем.
Но здесь на помощь приходит квантовая физика: ведь именно состояние электронов позволяет говорить оналичии или отсутствии химической связи между атомами. Таким образом, достаточно выполнить ресурсо-емкие квантово-физические (вернее, квантовохимические) расчеты лишь для небольшой группы атомов в реакционном центре, а для окружающих атомов, которые почти не влияют на состояние электронов в реакционном центре, сделать молекулярно-механический расчет. Такой обоюдный подход сейчас воспринимается уже как нечто само собой разумеющееся, но именно он и является главной заслугой лауреатов. Стоило большого труда разработать такие алгоритмы расчета, которые позволяли бы для центральной части системы использовать квантово-химическое описание, а остальную часть описывать с классической точки зрения и физически осмыс-ленно связать эти части между собой. Кроме того, как-то надо было описать окружение и всей системы в целом.
Мартин Карплус, профессор Гарвардского и Страсбургского университетов «Меня часто просят объяснить суть работы, описывающей структуру и динамику молекул, простыми словами. Если вы хотите узнать, как работает какой-нибудь механизм, вы его разбираете и изучаете составные части и их взаимодействие. Мы делаем то же самое с молекулами».
Первый шаг на пути к созданию мультимасштабного моделирования был сделан, когда Арье Варшель посетил Мартина Карплуса в Гарварде в начале 1970-хгодов. Варшель имел опыт описания меж- и внутримолекулярных сил, Карплус же был специалистом по квантово-химическим расчетам. Вместе они создали программу, которая могла отлично вычислять спектры ряда плоских молекул, таких как зеркально симметричная молекула 1,6-дифенил-1,3,5-гексатриена. Эта работа стала первой, в которой была показана возможность создания гибридных методов, сочетающих в себе достоинства классических и квантовых вописании сложных химических систем. В данном случае ограничились плоскими молекулами, в которых соображения симметрии позволяют естественным образом провести разделение электронов на те, которые нужно рассматривать квантово-химически, ите, для которых достаточно классического рассмотрения. Позже было показано, что метод может быть применен не только к плоским молекулам, но существует общая схема разделения электронов. Кроме того, были созданы схемы обмена энергией между классической иквантово-химической подсистемами, а также между ними обеими идиэлектрическим окружением.
Везикулы (пузырьки) служат основной транспортной системой в наших клетках, обеспечивая доставку сигнальных молекул (гормонов, нейромедиаторов, ферментов, цитокинов идругих) между частями одной и той же клетки, разделенными мембранами, или в межклеточное пространство для связи с другими клетками.
Примерно в то же время Левитт смог выполнить первые молекулярно-динамические расчеты для молекул ДНК ибелков, а затем добился успехов ввопросах фолдинга белков и предсказания их структуры. Проблема фолдинга белка, то есть задача определения пространственной (третичной) структуры белка, исходя из его аминокислотной последовательности, в настоящее время активно изучается. Современные алгоритмы предсказания структуры позволяют решать эту задачу лишь для относительно небольших белков (менее 200 аминокислотных остатков), но, к сожалению, этого совершенно недостаточно для удовлетворения потребностей структурной биологии.
Работы Карплуса, Варшеля и Левитта стали отправной точкой как для дальнейшего теоретического анализа исоздания более точных моделей, так и для прикладных исследований. Предложенные методы были применены к изучению не только сложных процессов в органической химии и биохимии, но и гетерогенного катализа итеоретического расчета спектров молекул, растворенных вжидкостях. Но важнее всего то, что эти работы положили начало плодотворному сотрудничеству между теоретиками и экспериментаторами, — это позволило сделать решаемыми многие неразрешимые прежде задачи.
"