Jak komputery weszły do świata chemii?

• Strona główna
• Artykuły
• Jak komputery weszły do świata chemii?

Data publikacji: 2020-07-07 / Autor: Tomasz Darowski

W 2013 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii otrzymali Michael Levitt, Martin Karplus oraz Arieh Warshel. Przedmiotem ich prac, zainicjowanych jeszcze w latach 70. ubiegłego wieku, był rozwój wielkoskalowych modeli dla złożonych układow chemicznych.

Komputerowe modelowanie

Komputerowe modelowanie cząsteczek związków chemicznych jest zbiorem technik obliczeniowych, które służą do przewidywania własności cząsteczek lub układów ponadcząsteczkowych. Modelowanie polega na tworzeniu dla cząsteczek chemicznych modeli, za pomocą których opisuje się lub przewiduje ich rzeczywiste własności fizykochemiczne.

Wprowadzenie komputerów oraz rozwój fizyki molekularnej pozwoliły na stworzenie w chemii modeli teoretycznych opisujących oddziaływania występujące między atomami oraz cząsteczkami. Umożliwia to prowadzenie precyzyjnych symulacji w zakresie zachowania się prawdziwej cząsteczki chemicznej na podstawie znanych nam praw fizycznych. Naukowcy tworzą specjalne systemy (tzw. algorytmy pól siłowych) opisujące oddziaływania rozmaitych typów atomów występujących w naturze. Inna nazwa tego procesu to mechanika molekularna.

Właściwości niewielkich cząsteczek można również przewidywać przy użyciu wzorów mechaniki kwantowej. Konieczne tu obliczenia dają nawet znacznie dokładniejsze wyniki, wymagają jednak ogromnych mocy obliczeniowych. Moc obliczeniowa decyduje o dokładności wykonywanych symulacji rozmaitych zjawisk na poziomie pojedynczych cząsteczek. W układach o dużej złożoności stosuje się uproszczone założenia i/lub wychodzi się z pewnych założeń początkowych, wynikających z wcześniejszych danych eksperymentalnych. Ośrodki naukowe zaangażowane w modelowanie molekularne posiadają rzecz jasna własne centra komputerowe lub korzystają z czasu, jaki jest im przydzielony na superkomputerach należących do innych podmiotów. Obliczenia chemiczne prostych układów lub obliczenia przy użyciu mniej dokładnych metod można natomiast przeprowadzać już z poziomu komputera osobistego.

Aspektem, który przyczynił się do dynamicznego rozwoju badań teoretycznych jest koszt oraz czas tego typu badań, które to są niejednokrotnie o wiele krótsze i tańsze niż wstępne badania praktyczne. Uzyskane zaś wyniki coraz bardziej zbliżają się do wyników eksperymentalnych. Modelowanie molekularne znajduje zastosowanie m.in. w nanotechnologii, w projektowaniu leków, poznawaniu struktur biologicznych, których sekwencja jest znana, a budowa i funkcja jeszcze nie. Modelowanie takie jest też stosowane w badaniach materiałowych i w wielu innych miejscach.

Modelowanie molekularne odgrywa aktualnie duże znaczenie w praktycznie wszystkich obszarach chemii. Z kolei rozwój chemii teoretycznej i opracowywanie nowych metod obliczeniowych pozwalają na bardzo dobre oszacowanie właściwości fizycznych i chemicznych, modelowanie reakcji oraz stanów przejściowych, symulowanie widm spektroskopowych (IR, NMR), czy też badanie bardziej skomplikowanych układów, np. białek.

Wprawdzie modelowanie komputerowe często nie jest w stanie zapewnić jednoznacznej odpowiedzi na zadawane pytania, ale w znaczny sposób pomaga zrozumieć oraz rozwiązać zaistniałe problemy natury badawczej.

Wkład noblistów

Uzasadnieniem dla komputerowego modelowania reakcji chemicznych jest fakt, iż reakcje te w świecie fizycznym zachodzą tak szybko – w ułamku milisekundy – i w tak małej skali, że nie da się bezpośrednio obserwować każdego ich etapu. Komputery umożliwiają zatem mapowanie zmian zachodzących w chemii.

Aby jednak w ogóle reakcja chemiczna mogła zajść, reagujące ze sobą cząsteczki muszą posiadać odpowiednią wartość energii. Musi być ona większa niż energia aktywacji, stanowiąca swoistą barierę energetyczną. Część białek charakteryzuje się tzw. aktywnością enzymatyczną, czyli posiada zdolność do wielokrotnego przyspieszania reakcji chemicznych przez obniżanie wartości energii aktywacji danej reakcji.

Cząsteczka enzymu tworzy z substratem kompleks aktywny, jednocześnie zmieniając nieznacznie swój kształt. Wówczas pole elektryczne elektronów obecnych na swoich orbitalach w cząsteczce enzymu, znajdujących się w pobliżu miejsca wiązania substratu (tzw. miejsce aktywne enzymu), wpływa na orbitale elektronowe związanego substratu i ułatwia zajście reakcji. Po jej zakończeniu produkt oddziela się od cząsteczki enzymu, a ta powraca do swojego pierwotnego kształtu.

Szczegółowa wiedza na temat procesów chemicznych umożliwia optymalizację np. katalizatorów, leków lub też ogniw słonecznych. Od lat 70. ubiegłego wieku, gdy nobliści zrealizowali większość swoich nagrodzonych potem prac, możliwe stało się za pomocą opracowanych przez nich metod badanie każdego małego, niemal pojedynczego działania, prowadzonego w złożonych procesach chemicznych, niewidocznych gołym okiem.

Aby modelować takie reakcje chemiczne, komputerowe modele muszą łączyć zasady klasycznej fizyki z zupełnie odmiennymi od nich regułami fizyki kwantowej. Doprowadzenie do takiego stanu to jedno z kluczowych osiągnięć laureatów Nagrody Nobla.

W przypadku fizyki klasycznej obliczenia są wprawdzie łatwe i można badać bardzo duże cząsteczki, ale tylko w stanie spoczynku.

Pod wpływem przepływu energii kształt cząsteczki podlega zmianom. Dlatego do opisu potrzebna jest mechanika kwantowa. Tyle tylko, że w jej przypadku obliczenia muszą uwzględniać zachowanie każdego jądra atomowego i każdego elektronu. Tym samym zatem są wysoce skomplikowane i dlatego możliwe tylko w przypadku małych cząsteczek. Istotą osiągnięcia Levitta i jego współtowarzyszy było połączenie obydwu różnych od siebie rodzajów obliczeń, zatem swoiste otworzenie bramy umożliwiającej przenikanie się dwóch niedostępnych dotychczas dla siebie światów. Co to daje w praktyce?

Przykładowo w medycynie, gdy lek działa na białkowy receptor, to obliczenia kwantowe dotyczą atomów bezpośrednio zaangażowanych w reakcję, podczas gdy zachowanie liczącej tysiące atomów reszty cząsteczki opisuje fizyka klasyczna. Naukowcy stworzyli więc program, który metodami fizyki klasycznej pozwala modelować cząsteczki chemiczne wszelkiego rodzaju, nawet ogromne cząsteczki biologiczne. Po kilku latach opracowali także program, który pozwala modelować zachowanie enzymów – białek, dzięki którym działają żywe komórki. Takie oprogramowanie łączące fizykę klasyczną i fizykę kwantową zrewolucjonizowało badania nad cząsteczkami biologicznymi, gdyż nadaje się ono do modelowania nawet największych z cząsteczek biologicznych.

W dzisiejszych czasach, za pomocą specjalistycznego oprogramowania, można obliczyć różne prawdopodobne ścieżki reakcji chemicznej, co nazywa się właśnie symulacją lub modelowaniem. W ten sposób dowiadujemy się, jaką rolę odgrywają określone atomy na różnych etapach reakcji chemicznej. Gdy zaś posiada się prawdopodobną ścieżkę reakcji chemicznej, wówczas łatwiej jest przeprowadzić prawdziwe eksperymenty, które mogą potwierdzić, czy komputer ma rację, czy nie. Te eksperymenty są w stanie dostarczyć nowych wskazówek, które prowadzą do jeszcze lepszych symulacji – teoria i praktyka nawzajem się w takim przypadku uzupełniają.

W rezultacie chemicy spędzają teraz tyle samo czasu przed komputerem, co w laboratoriach i nad probówkami. Fakt, że naukowcy mogą wykorzystywać komputery do przeprowadzania eksperymentów pozwolił na znacznie głębsze zrozumienie przebiegu procesów chemicznych.

przemysł chemicznybadania i rozwój