Нобелевская премия по химии: ода компьютеру

Нобелевскую премию по химии 2013 года присудили за «разработку многомасштабных моделей для сложных химических систем».

Лауреатами стали Мартин Карплюс (Martin Karplus, Страсбургский университет и Гарвардский университет, Франция - США), Майкл Левитт (Michael Levitt, Стенфордский  университет, США) и Ари Уоршел (Arieh Warshel, Университет Южной Калифорнии, США). Ещё в 1970-х годах они заложили основу для мощных компьютерных программ, с помощью которых химики смогли моделировать, изучать и даже прогнозировать протекание многих сложных химических процессов. В числе таких процессов – фотосинтез в зелёных растениях, каталитическая очистка выхлопных газов двигателя, взаимодействие лекарств с молекулами тех или иных белков (белков-мишеней) в организме.
Химические реакции протекают молниеносно. За доли миллисекунд электроны «перепрыгивают» от одного атомного ядра к другому, что практически невозможно наблюдать в эксперименте. Лауреаты Нобелевской премии по химии 2013 года разработали методы, позволившие изучить эти скрытые от глаза экспериментатора процессы.

Революционность работы нобелевских лауреатов заключается в том, что они смогли связать воедино ньютоновскую классическую механику (описывающую макрообъекты) с квантовой физикой. Ранее химики, изучая реакции, должны были делать выбор, методами какой из этих двух наук им оперировать. Преимущество классической физики – в простоте расчётов, также с её помощью можно описывать большие молекулы – макромолекулы. Однако она не годится для моделирования химических реакций – здесь уже необходимо брать на вооружение квантовую физику. Однако квантово-химические расчёты крайне сложны и требуют очень мощных компьютеров, из-за чего выполняются лишь для небольших молекул.

  Мартин Карплюс, Майкл Левит и Ари Уоршел разработали (вычислительные) методы, в которых используются и классическая, и квантовая физика. Теперь, моделируя, например, взаимодействие лекарственной молекулы с белком-мишенью в организме, компьютер выполняет квантово-химические расчёты только для тех атомов в молекуле белка, которые непосредственно взаимодействуют с молекулой лекарства. Остальная часть большой белковой молекулы описывается методами классической физики.  
Сегодня компьютер стал важнейшим инструментом в работе химиков наряду с экспериментальными установками. Выполняемое с его помощью моделирование процессов столь точно, что оно позволяет прогнозировать результат реального эксперимента. Нобелевский комитет так и озаглавил свой пресс-релиз: «Компьютер – ваш Вергилий в мире атомов», то есть, попросту – волшебник.

По информации Нобелевского комитета
Фото Wikimedia Commons