Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин

Наблюдать протекание химических реакций с помощью квантовой химии стало возможным благодаря усилиям трех нобелевских лауреатов: американского ученого Мартина Карплуса и двух израильских ученых – Майкла Левитта и Арье Варшеля, получивших в 2013 г. Нобелевскую премию "за развитие метода масштабных моделей для сложных химических систем".
    
Фотография с размытыми краями
На заре фотографии фотообъективы были несовершенны, а получающиеся изображения размыты по краям. В результате фотопортреты стали намеренно изготавливать в овале с нерезкими краями, что постепенно превратилось в эстетическую норму: это позволяло сосредоточить взгляд на лице, изображенном на фотопортрете, и не обращать внимания на второстепенные детали. Подобный стиль – акцентирование внимания на наиболее важных деталях снимка – сохранился и до нашего времени, несмотря на то что современные фотообъективы дают резкое изображение по всему полю снимка. Именно этот принцип использовали авторы премированной работы, разработав расчетную программу, позволяющую с различной степенью точности определять особенности структуры отдельных фрагментов молекулы.
Один из будущих лауреатов Мартин Карплус, работая в Гарвардском университете (Кембридж, США) в начале 1970-х гг., изучал возможность создания компьютерных программ, которые могли бы имитировать химические реакции с помощью квантовой химии. В середине 1970-х гг. второй из будущих лауреатов – Арье Варшель – прибыл в Гарвард для совместной работы с М. Карплусом. Ученым удалось создать программу, которая осуществляла расчет молекулы следующим образом: для фрагментов, соединенных простыми связями, проводились приблизительные вычисления методами молекулярной механики, а для двойных связей использовался точный квантово-химический расчет. В качестве объекта был взято соединение, показанное на рис. 5.1.
 
  
Рассчитанные инфракрасные спектры соединения превосходно совпали с экспериментальными. Это был первый опыт создания гибридной расчетной программы, сочетающей молекулярную механику и квантово-химические методы.
На следующем этапе к работе подключился третий будущий лауреат – Майкл Левитт, который в 1976 г. совместно с Арье Варшелем создал усовершенствованную программу, позволяющую рассчитывать отдельные фрагменты: те, которые участвуют в реакции и потому наиболее интересны, – с помощью квантовой химии, а остальную часть молекулы – приближенно, молекулярной механикой. Кроме того, была введена еще одна стадия – упрощенный расчет, учитывающий влияние окружающей среды (растворителя). Работу удалось осуществить и потому, что в Институте им. Вейцмана (г. Реховот, Израиль) находился очень мощный по тем временам компьютер, который сотрудники ласково называли Големом (Голем – глиняный великан в еврейской мифологии).
Авторы премированной работы изобразили общий принцип новой системы расчета, поместив рядом портрет А. Нобеля с размытыми краями и окружностью, определяющей область детального рассмотрения, что делает основную идею еще более понятной (рис. 5.2).
 
  
Ничего принципиально нового в предложенной идее нет. Если вы надумали собрать механические часы, то при изготовлении шестеренок вы позаботитесь о максимально точной обработке зубьев, чтобы обеспечить точность хода, а кронштейны, на которых закреплены шестеренки, не потребуют столь детальной обработки. Заслуга авторов премированной работы в том, что им удалось создать расчетную программу, работающую по такому же принципу.
В качестве объектов для расчета авторы выбрали наиболее сложные из известных соединений – белки, многие особенности строения которых к тому моменту были изучены. Естественно, возникла необходимость не только понять строение белков, но и увидеть их работу в живом организме. Авторы исследования, о котором идет речь, перед проведением расчета упрощали строение белковой молекулы следующим образом: часть белковой молекулы, не участвующей в изучаемом процессе, представляли в виде набора шаров соответствующего радиуса (рис. 5.3), и в итоге эта часть молекулы напоминала нитку бус, собранных затейливым образом.
 
  
В результате расчетов удалось, например, воссоздать процесс разрушения клеточных стенок бактерий при действии биокатализатора – фермента лизоцима, который в больших количествах содержится в слюне и в слезной жидкости, чем и объясняются их антибактериальные свойства, приводящие к гибели бактерий. Весь процесс можно наблюдать на экране компьютера в замедленном темпе, в то время как в реальности он проходит в доли секунды.
Одно из ярких достижений разработанной методики – моделирование работы белков, входящих в состав скелетных мышц, которые преобразуют химическую энергию в механическую. Благодаря этому мышцы могут совершать механическую работу. Исследование открывает перспективы в создании современных управляющих устройств и указывает направление разработок новых биоэнергетических механизмов – молекулярных моторов (о чем рассказано в главе "Молекулярные механизмы и машины").
Авторам работы и их многочисленным последователям, использовавшим новую схему расчета, удалось изучить многие биологические процессы. Метод оказался исключительно результативным не только для изучения биохимических реакций, но и при анализе сложных каталитических процессов в органической химии.
 
Коротко о лауреатах и их нобелевских докладах
Мартин Карплус родился в 1930 г. в Вене, Австрия, получил образование в Страсбургском университете во Франции, в 1951 г. защитил диссертацию в Калифорнийском технологическом институте, США, где он работал под руководством дважды лауреата Нобелевской премии Лайнуса Полинга. В своем интервью Карплус сказал, что Полинг оказал на него большое влияние и научил доверяться интуиции при решении научных вопросов. В завершение нобелевской лекции М. Карплус вывел на экран имена 244 (!) коллег, с которыми ему довелось сотрудничать.
 
Майкл Левитт родился в 1947 г. в Претории, ЮАР. В 1967 г. получил бакалаврский диплом в Королевском колледже Лондона, после чего работал в Кембриджском университете. С 1979 г. работал в Институте им. Вейцмана (г. Реховот, Израиль) под руководством профессора Шнеера Лифсона, которого Левитт считает своим основным учителем (портрет Лифсона, сопровождаемый рассказом о его работах, был показан в нобелевском докладе Левитта пять раз). В последующие годы Левитт попеременно работает в отделе структурной биологии Стэнфордского университета и в Институте им. Вейцмана.