Reacţiile chimice au loc la viteza luminii, iar electronii sar de la un nucleu atomic la altul ascunşi fiind de privirile curioase ale oamenilor de ştiinţă. Laureaţii premiului Nobel pentru chimie din 2013 au reuşit să proiecteze cu ajutorul computerelor o ”hartă” a felului misterios în care operează chimia. Cunoaşterea detaliată a proceselor chimice permite optimizarea catalizatorilor, a medicamentelor şi a celulelor solare.

 

 

 

Chimiştii din lumea întreagă concep şi execută zilnic experienţe pe computere. Ei examinează cele mai mici etape ale complexelor procese chimice, invizibile pentru ochiul uman, folosind metodele pe care Martin Karplus, Michael Levitt şi Arieh Warshel au început să le dezvolte în anii ‘70.

 

 

Pentru ca dumneavoastră, cititorii, să înţelegeţi care sunt implicaţiile pozitive pentru omenire ale acestor demersuri începem cu un exemplu. Vă rugăm să vă puneţi halatul alb de laborator căci avem o sarcină pentru dvs: simularea fotosintezei artificiale. Este vorba despre reacţia chimică care are loc în frunzele plantelor verzi şi care generează oxigen în atmosferă, ea fiind totodată una din condiţiile de bază ale vieţii pe Pământ. Reacţia este interesantă însă şi din perspectivă ecologică, căci dacă fotosinteza ar putea fi simulată, atunci vor putea fi concepute celule solare mai eficiente. În plus, prin scindarea moleculelor de apă nu se generează numai oxigen, ci şi hidrogen care ar putea fi folosit drept combustibil pentru autovehicule. Cu alte cuvinte motive suficiente ca să fiţi interesaţi de acest proiect. Iar dacă proiectul va fi un succes veţi aduce o contribuţie semnificativă la rezolvarea problemei efectului de seră.

Citeşte şi: Cum funcţionează fotosinteza?

 


Fig. 1
Chimiştii zilelor noastre petrec la fel de mult timp în faţa computerelor, ca şi în faţa eprubetelor. Rezultatele teoretice ale programelor computerizate sunt confirmate de experienţe practice care duc la alte indicii privind modul în care funcţionează atomii. Teoria şi practica se ajută reciproc.

 

 

O imagine dezvăluie mai mult decât o mie de cuvinte – dar nu spune chiar totul

Primul pas în abordarea acestui proiect ar fi să intraţi pe Internet unde veţi găsi, în baze mari de date online, imagini tridimensionale ale proteinelor care guvernează fotosinteza. Imaginile pot fi rotite şi răsucite după cum doriţi. Ele reprezintă gigantice molecule de proteine compuse din zeci de mii de atomi. Undeva în centru există o mică regiune denumită centrul reacţiei. Aici este locul în care molecula de apă este scindată. Dar în reacţie sunt implicaţi direct numai câţiva atomi. Printre altele ceea ce vedeţi în imagine sunt patru ioni de mangan, un ion de calciu şi mai mulţi atomi de oxigen. Imaginea arată clar felul în care atomii şi ionii sunt poziţionaţi în relaţie unul cu altul, dar nu spune nimic despre ce anume fac aceşti atomi şi ioni. Tocmai aceasta este sarcina dvs. Electronii trebuie cumva extraşi din apă şi ”cineva” va trebui să se ocupe de patru protoni. Cum se întâmplă toate astea?

Detaliile acestui proces sunt practic imposibil de schiţat folosind metodele tradiţionale ale chimiei, căci foarte multe se întâmplă în fracţiuni de milisecundă – o viteză care scoate din ecuaţie majoritatea tipurilor de experimente ce implică eprubete. Pornind de la imaginea moleculelor de proteine este de asemenea dificil de estimat procesul reacţiei, căci imaginea reprezintă proteinele în repaus. Atunci când radiaţiile solare ating frunzele plantelor verzi proteinele absorb energia luminoasă şi îşi modifică întreaga structură atomică. Iar pentru a înţelege reacţia chimică trebuie înţeleasă tocmai această stare de absorbţie a energiei.

Acesta este momentul în care intervin programele computerizate concepute de laureaţii premiului Nobel pentru chimie din anul 2013.

Teoria şi practica – o colaborare de succes

Acest tip de software poate calcula traiectoriile posibile ale reacţiilor chimice. Metoda poartă denumirea de simulare sau modelare. Ea permite înţelegerea rolului jucat de atomi în diferite etape ale reacţiei chimice. Odată formulat un traseu plauzibil al reacţiei chimice este mai uşor de realizat un experiment real care să verifice ipoteza computerului. În plus, aceste experimente pot scoate la iveală noi indicii care să ducă la simulări şi mai bune; şi uite aşa teoria şi practica se completează reciproc. Drept urmare, chimiştii zilelor noastre petrec la fel de mult timp în faţa computerelor, ca şi în faţa eprubetelor.

De ce sunt speciale aceste programe pentru care s-a primit premiul Nobel pentru chimie 2013?

Combină ce e mai bun din ambele lumi

În trecut, atunci când oamenii de ştiinţă doreau să simuleze moleculele pe computere foloseau un software care se baza fie pe fizica clasică newtoniană, fie pe fizica cuantică. Ambele teorii au atât puncte tari, cât şi metehne. Programele clasice pot calcula şi procesa moleculele mari. Dar ele reprezintă moleculele numai în stare de repaus prezentând chimiştilor poziţia atomilor în molecule. Însă aceste programe nu pot fi folosite pentru a simula reacţiile chimice. În timpul reacţiilor moleculele absorb energie şi intră într-o stare activată. Iar fizica clasică pur şi simplu nu are un concept pentru aşa ceva – ceea ce este o restricţie severă.

De aceea pentru simularea reacţiilor chimice oamenii de ştiinţă au fost nevoiţi să se îndrepte spre fizica cuantică; adică teoria conform căreia electronii sunt simultan particule şi unde şi în care faimoasa pisică a lui Schrödinger, ascunsă într-o cutie, poate fi moartă şi totodată vie. Avantajul fizicii cuantice este legat de faptul că nu are prejudecăţi, iar modelul nu include niciuna dintre preconcepţiile oamenilor de ştiinţă. De aceea aceste simulări sunt mai realiste. Inconvenientul este că asemenea calcule au nevoie de o putere imensă de procesare. Computerul trebuie să urmărească fiecare electron în parte şi fiecare nucleu atomic din moleculă. Toate acestea pot fi comparate cu numărul de pixeli dintr-o imagine digitală. Foarte mulţi pixeli duc la o rezoluţie suficient de înaltă, dar o asemenea imagine consumă foarte multe resurse. În mod similar, calculele din fizica cuantică descriu în detaliu procesele chimice, dar necesită computere ultra performante. În anii ‘70 oamenii de ştiinţă puteau procesa pe computer numai moleculele mici. De aceea la simulare erau obligaţi să ignore reacţiile cu mediul înconjurător, chiar dacă în realitate reacţiile chimice au loc de obicei într-un anumit gen de soluţie. Dar dacă oamenii de ştiinţă ar fi introdus în calcule şi solventul ar fi trebuit aştepte câteva decenii până la obţinerea rezultatelor.

Astfel, chimia clasică şi cea cuantică erau fundamental diferite, ba chiar făceau parte din lumi opuse. Dar laureaţii premiului Nobel pentru chimie 2013 au reuşit să stabilească o legătură între aceste două lumi. În modelele lor computerizate Newton şi mărul său colaborează cu Schrödinger şi pisica acestuia.

 



Fig. 2
Newton şi pisica lui Schrödinger. În trecut fizica clasică şi chimia cuantică făceau parte din universuri opuse. Laureaţii premiului Nobel pentru chimie 2013 au realizat o legătură între cele două lumi printr-o colaborare înfloritoare.


Colaborarea dintre chimia cuantică şi fizica clasică

Primul pas al colaborării a fost făcut la începutul anilor ‘70 în laboratorul lui Martin Karplus de la Universitatea Hardvard din Cambridge, SUA. Karplus era profund implicat în universul cuantic. Grupul său de cercetare dezvoltase programe computerizate care simulau reacţiile chimice folosind fizica cuantică. Totodată el a fost cel care a proiectat ”ecuaţia Karplus”, o ecuaţie folosită în rezonanţa magnetică nucleară (RMN); o metodă bine-cunoscută de chimişti care se bazează pe proprietăţile cuantice ale moleculelor chimice. După încheierea doctoratului Arieh Warshel soseşte la laboratorul lui Karplus în anul 1970. El obţinuse doctoratul la ”Weizmann Institute of Science” în Rehovot, Israel. Institutul avea în dotare un computer performant, Golem, ce purta numele unei creaturi din folclorul evreiesc. Cu ajutorul lui Golem, Arieh Warshel şi Michael Levitt au dezvoltat un program computerizat revoluţionar folosind teoria clasică. Programul permitea simularea a tot felul de molecule, chiar şi a moleculelelor biologice foarte mari.

Atunci când Arieh Warshel i s-a alăturat lui Martin Karplus la Universitatea Hardvard el a adus cu sine şi programul computerizat. Pe baza acestuia cei doi au început să lucreze la un nou tip de program care realiza variate calcule pentru diferiţi electroni. În marea majoritate a moleculelor fiecare electron orbitează un anumit nucleu atomic. În anumite molecule însă există electroni ce pot trece nestingheriţi de la un nucleu atomic la altul. Aceşti electroni ”liberi” pot fi găsiţi de exemplu în retinal, o moleculă încorporată în retina ochiului. Karplus fusese permanent interesat de retinal, căci proprietăţile cuantice ale moleculei afectau o anumită funcţie biologică; atunci când lumina ajunge la retină, electronii liberi din retinal absorb energia ceea ce modifică forma moleculei. Iar acesta este primul stadiu al vederii la oameni.

În cele din urmă Karplus şi Warshel au reuşit să simuleze molecula retinal. În acest scop au început prin simularea unor molecule similare, dar cu structură mult mai simplă. Ei au creat un program care aplica fizica cuantică atunci când realiza calcule pentru electronii liberi, precum şi mai multe teorii clasice simple pentru restul electronilor şi nucleelor atomice. Rezultatele au fost publicate în anul 1972. A fost pentru prima dată când cineva reuşea o colaborare relevantă între fizica clasică şi cea cuantică. Programul era revoluţionar, dar avea o restricţie. Nu putea lucra decât cu molecule simetrice.

Un program universal pentru chimia ce stă la baza vieţii

După doi ani petrecuţi la Hardvard Arieh Warshel reîncepe colaborarea cu Michael Levitt. Levitt obţinuse doctoratul la Universitatea Cambridge din Marea Britanie - în acea vreme universitatea era lider mondial în studierea moleculelor biologice precum DNA, RNA ori proteine. El folosise programul clasic în scopul de a înţelege mai bine moleculele biologice. Restricţia programului era încă în vigoare, căci nu putea examina decât moleculele în stare de repaus.

Levitt şi Warshel aveau însă scopuri măreţe. Doreau să realizeze un program care să studieze enzimele - proteinele care guvernează şi simplifică reacţiile chimice din organismele vii. Warshel devenise deja interesat de funcţia enzimelor de pe vremea când era un tânăr student. Viaţa însăşi este posibilă ca urmare a colaborării dintre enzime, căci ele controlează practic toate procesele chimice din organismele vii. Cine vrea să înţeleagă viaţa trebuie să înţeleagă enzimele.

Dar pentru a putea simula reacţiile enzimatice Levitt şi Warshel au fost nevoiţi să optimizeze colaborarea dintre fizica clasică şi cea cuantică. Au avut nevoie de mai mulţi ani pentru a depăşi toate obstacolele. Cercetările au început la Institutul Weizmann din Rehovot, dar câţiva ani mai târziu după ce şi-a încheiat studiile post-doctorale Levitt s-a mutat la Cambridge, unde a fost urmat de Warshel. În 1976 cei doi şi-au atins scopul şi au publicat primul model computerizat al unei reacţii enzimatice. Programul lor era revoluţionar căci putea fi folosit pentru orice tip de moleculă. Dimensiunea nu mai era o problemă în simularea reacţiilor chimice.

Focalizare pe centrul acţiunii

Azi, puterea de procesare este aplicată în simularea proceselor chimice numai acolo unde este nevoie. Calculele complicate ale fizicii cuantice sunt utilizate numai pentru electronii şi nucleele atomice cu impact direct asupra proceselor chimice. În acest fel se obţine cea mai bună rezoluţie posibilă doar acolo unde merită. Pentru restul părţilor moleculei simularea foloseşte ecuaţiile clasice ale chimiei.

Pentru a nu risipi inutil puterea de procesare Michael Levitt şi Arieh Warshel au redus şi mai mult calculele. De aceea computerul nu mai trebuia să ţină cont de fiecare atom aflat în părţile mai puţin interesante ale moleculei. Ei au demonstrat că este posibilă fuzionarea mai multor atomi în timpul calculelor.

În varianta modernă a programelor oamenii de ştiinţă folosesc un al treilea nivel al simulării. În zonele foarte îndepărtate de procesul chimic computerul poate lega atomii şi moleculele într-o singură masă omogenă. În comunitatea ştiinţifică această masă poartă denumirea de mediu dielectric.

 



Fig. 3
Azi, puterea de procesare este aplicată în simularea proceselor moleculare numai acolo unde este nevoie. Fizica cuantică este utilizată numai în centrul reacţiei. Dincolo de această zonă se aplică fizica clasică, iar în straturile şi mai îndepărtate atomii şi moleculele sunt îmbinaţi rezultând o masă omogenă. Această simplificare a permis procesarea sistemelor chimice foarte complexe.

 

Cât de departe va ajunge simularea? O chestiune ce aparţine viitorului

Folosirea computerului în realizarea experimentelor a dus la o înţelegere mai profundă a felului în care se desfăşoară procesele chimice. Marele avantaj al metodelor dezvoltate de Martin Karplus, Michael Levitt şi Arieh Warshel constă în faptul că ele sunt universale. De aceea pot fi folosite pentru a studia orice tip de proces chimic: de la moleculele vieţii până la procesele chimice industriale. În acest fel oamenii de ştiinţă pot optimiza celulele solare, catalizatorii din motoare sau chiar medicamentele, ca să nu oferim decât câteva exemple.

Evoluţia nu se va opri aici. Într-una din lucrările sale Michael Levitt vorbea despre un vis al său: simularea unui organism viu la nivel molecular. O idee fascinantă. Modelele computerizate dezvoltate de către laureaţii premiului Nobel pentru chimie din 2013 sunt instrumente remarcabile. Dar numai viitorul va decide cât de mult vor putea ele împinge frontiera cunoaşterii.

Laureaţii premiului Nobel

MARTIN KARPLUS

Cetăţean american şi austriac. Născut în 1930 la Viena, Austria. Doctoratul în anul 1953 la ”California Institute of Technology”, CA, SUA. Professeur Conventionné, Université de Strasbourg, Franţa şi profesor emerit catedra Theodore William Richards, Harvard University, Cambridge, MA, SUA.

MICHAEL LEVITT
Cetăţean britanic şi israelian. Născut în 1947 în Pretoria, Africa de Sud. Doctoratul în anul 1971 la ”University of Cambridge”, Marea Britanie. Profesor cercetare cancer, catedra Robert W. şi Vivian K. Cahill, Stanford University, Facultatea de medicină, Stanford, CA, USA.

ARIEH WARSHEL
Cetăţean american şi israelian. Născut în 1940 în Kibbutz Sde-Nahum, Israel. Doctoratul în anul 1969 la ”Weizmann Institute of Science”, Rehovot, Israel. Profesor emerit, University of Southern California, Los Angeles, CA, SUA.



Tradus de Brânduşa Băcilă după popular-chemistryprize2013