Simularea reacțiilor în spațiul cibernetic aduce premiul Nobel pentru chimie

Cercetările care au creat simulări pe computer ale reacțiilor chimice complexe au câștigat Premiul Nobel pentru chimie.

Martin Karplus de la Universitatea Harvard și Universitatea din Strasbourg, Michael Levitt de la Universitatea Stanford și Arieh Warshel de la Universitatea din California de Sud vor împărți premiul.

Folosind programe de calculator care îmbină puterea fizicii cuantice cu cerințele scăzute de calcul ale fizicii clasice, cei trei oameni de știință au făcut posibilă descrierea reacțiilor chimice ultrarapide. Lucrarea îi ajută pe chimiști să prezică rezultatele reacțiilor chimice, cum ar fi cele care apar în fotosinteză sau când un medicament se acoperă cu o moleculă în organism. Ca rezultat, chimiștii se pot baza mai puțin pe munca experimentală de laborator.

„Economisim mulți bani, economisim mult timp și economisim mult efort făcând mai întâi munca teoretică”, spune Sven Lidin, un chimist anorganic la Universitatea Lund din Suedia, care prezidează comitetul Nobel.

Warshel, treaz la 3:00 dimineața în California pentru a primi știrile prin telefon, a spus că se simte „extrem de bine”.

Calea lui Warshel către premiu a început în 1968, ca student absolvent la Institutul de Științe Weizmann din Rehovot, Israel, unde a lucrat cu Levitt, pe atunci un savant invitat proaspăt absolvit de licență în chimie. Împreună, perechea a creat unele dintre primele simulări pe computer ale stărilor energetice ale moleculelor. Primele modele implicau doar câțiva atomi.

Simulările ulterioare au crescut în complexitate. „Au venit cu o modalitate foarte simplă și foarte rapidă de a calcula energia unui sistem care conține mulți, mulți atomi”, spune chimistul de calcul Kenneth Merz de la Universitatea de Stat Michigan din East Lansing.

La începutul anilor 1970, Warshel a lucrat cu Karplus la Harvard, care făcuse deja progrese majore în descrierile cuantice ale reacțiilor chimice. Împreună au conceput o metodă pentru a studia stările de energie relaxată și excitată ale moleculelor ai căror atomi se află într-un plan plat. În calcule, echipa a combinat fizica clasică pentru a descrie nucleele și electronii care stau în plan cu fizica cuantică pentru a descrie electronii care plutesc deasupra. „A fost prima dată când cineva a fuzionat lumea cuantică și cea clasică în chimie”, spune Gunnar Karlström, chimist teoretician la Universitatea Lund din Suedia și membru al comitetului Nobel.

Doar câțiva ani mai târziu, fuzionarea celor două tipuri de fizică a permis lui Warshel și Levitt să construiască simulări pe computer pentru a studia o reacție chimică care implică lizozima, o enzimă din lacrimi și saliva care poate tăia pereții celulelor bacteriene. Cei doi au folosit programe similare pentru a descrie modul în care o proteină se pliază într-o structură tridimensională. Predicția lor teoretică aproape se potrivea cu structura proteinei pe care cercetătorii au observat-o folosind metode experimentale.

Lucrările din laboratorul lui Karplus au continuat să simuleze modul în care proteinele se pliază și se mișcă, creând una dintre primele punți între chimia computațională și biologia structurală. Lucrarea teoretică a ajutat oamenii de știință să realizeze cât de dinamice sunt proteinele, spune Merz. „Ne gândim la proteine ​​acum ca mereu în mișcare și fac lucruri, nu doar cărămizi care curg prin venele noastre sau în celulele noastre.”

Modalitatea mai ușoară a nobelilor de a studia reacțiile i-a ajutat deja pe chimiști să conceapă medicamente, să prezică modul în care ionii se mișcă printr-un canal și să înțeleagă cum anumite enzime reacționează cu țintele lor. „Cred că aproape toți cei care lucrează în domeniul chimiei teoretice și computaționale au sigur. a folosit metodele și programele dezvoltate de cei trei care au câștigat astăzi premiul”, spune chimistul teoretician David Clary de la Universitatea din Oxford.