Títo traja teoretickí chemici výrazným spôsobom rozvíjali dômyselné molekulové modely na počítačové simulácie komplexných chemických sústav. Význam týchto modelov spočíva v tom, že sú viacvrstvové, inými slovami, že používajú na výpočet navzájom prepojenú kombináciu rôznych kalibrov z arzenálu metód teoretickej chémie. Pod týmto tajomne znejúcim zaklínadlom treba rozumieť kombináciu dlhodobej programátorskej práce, nesmierneho úsilia, chemickej vízie a intuície a najmä tvorivej tvrdohlavosti. Dôvod je jednoduchý, v teoretickej chémii je „prístrojom“ počítač, v ňom beží sofistikovaný program, v ktorom sú implementované metódy kvantovej alebo klasickej mechaniky molekúl, prípadne ich kombinácia. Programátorskú stránku tu zdôrazňujem preto, lebo reč fyzikálnych rovníc musí chemik preložiť do efektívneho programu tak, aby mu poskytli údaje porovnateľné s experimentom.
.matematika, fyzika, chémia, počítače
Funguje tu zaujímavá hierarchia. Matematika dáva základné návody na popis fyzikálnych javov, čo umožňuje formulovať rovnice na popis mikrosveta (rozmery od 10-10 do 10-8 metra). To je svet atómov a molekúl a tiež doména kvantovej mechaniky. Chemici už dávno, pár rokov po jej zrode, pochopili, že tu je kľúč v vysvetleniu chemickej väzby, medzimolekulových interakcií a reaktivity – kvantová chémia sa etablovala začiatkom 30. rokov minulého storočia. Jedinou bariérou bola zložitosť výpočtov, takže jej aplikácie sa obmedzovali na veľmi malé molekuly.
Táto bariéra sa začala rozpadávať po nástupe výkonných počítačov. Súčasne s tým sa začalo zbližovanie kvantových a klasických výpočtových prístupov pre rozsiahle molekulové sústavy, toto zbližovanie vychádzalo z fyzikálneho princípu korešpondencie. Ten hovorí, že kvantová mechanika sa redukuje na klasickú – newtonovskú – v limite veľkých sústav. Pre chemikov sa pri pokuse skúmať veľké molekulové systémy stala veľmi atraktívnou molekulová mechanika a molekulová dynamika – oba postupy využívajú idey newtonovskej fyziky. Išlo len o to, skĺbiť kvantovú chémiu a molekulovú mechaniku do celku, použiť kvantovú chémiu pre tú menšiu časť, čo nazývame reakčné centrum a mechaniku na simuláciu prostredia, v ktorom reakcia prebieha.
Tohtoroční lauráti priniesli do chémie moment, ktorému sa s obľubou hovorí „nová paradigma“. Pripomeňme si oficiálne znenie, za čo bola udelená Nobelova cena: Development of multiscale models for complex chemical systems. Kľúčové v nej je slovo multiscale, pretože poukazuje na viacvrstvový alebo hierarchický prístup k riešeniu tak zložitých procesov, ako sú napríklad chemické reakcie v biologických systémoch.
Na určovanie štruktúry a dynamiky sa v chémii používajú rôzne druhy spektroskopií pracujúce v neuveriteľnom rozsahu časových a priestorových škál, röntgenová štruktúrna analýza, mikroskopie na atomárnej až subatomárnej úrovni, mikroanalytické metódy „na čipe“ a podobne. Napriek tomu sa ukazuje ako veľmi potrebné, aby experimentálna časť chémie spolupracovala s teoretickou. Súvisí to s nesmiernou zložitosťou chemických a biochemických procesov. V experimente často chýba dostatok informácií na definitívne uzávery, vtedy pomáha teoretický výpočet. Pred 50 rokmi sa v chémii (experimentálnej aj teoretickej) viac kládol dôraz na určenie štruktúry a menej sa vedelo alebo hovorilo o funkcii čiže o príčinách, prečo/ako reakcie prebiehajú. Dnes je to naopak. Prínos laureátov je okrem iného aj v tom otáčaní kormidla výskumu v teoretickej chémii od štruktúry k funkcii.
.centrum a okolie
V roku 1975 Honig, Warshel a Karplus publikovali článok o štruktúre a funkcii molekuly retinalu, ktorá má kľúčový význam v prvej fáze vnímania svetla zrakom. Ukázali, že prechod retinalu zo základného do excitovaného stavu vplyvom svetla je impulzom, ktorý aktivuje zrakový nerv. Už vtedy konštatovali, že na hlbšie pochopenie mechanizmu videnia potrebujú metódu, ktorá zahŕňa viac ako jednu molekulu. Neskôr Warshel a Karplus na Harvarde rozvíjali túto myšlienku, ich víziou bolo zahrnutie okolia, v chémii skôr hovoríme prostredia.
Tu prichádza na scénu idea viacvrstvového modelu. Po dvoch rokoch začal Warshel spolupracovať aj so svojím bývalým študentom Levittom, ktorý medzitým ukončil štúdiá na Cambridgei, a za dlhodobý cieľ si stanovili modelovanie enzymatických reakcií. Museli pritom „prinútiť“ viacvrstvový model, aby v ňom kvantová chémia a klasická mechanika hladko spolupracovali. Najmä, aby bol prechod medzi kvantovou a klasickou časťou modelu fyzikálne korektný, aby jeho kľúčové veličiny (napríklad energia) nevykazovali abnormálne skoky alebo nespojitosti. Pritom spolupráca „na diaľku“ s Karplusom nebola prerušená. Nová paradigma a tiež prvá verzia nového počítačového programu boli na svete v roku 1976. Samozrejme, mal ešte ďaleko od toho stupňa dokonalosti, aký majú podobné programy dnes, ale fungoval a dával pozoruhodné výsledky pre enzymatické reakcie. A čo bolo veľmi dôležité – veľkosť skúmaného systému už nebola tým povestným úzkym hrdlom. Veľmi skoro sa pre tento model zaviedla výstižná skratka QM/MM (quantum mechanics/molecular mechanics).
QM/MM model môžeme opísať na príklade kruhovej fotografie rozdelenej na tri zóny. V centrálnej je rozlíšenie najlepšie, so všetkými detailmi, v QM/MM modeli to predstavuje presný kvantovochemický výpočet – riešenie Schrödingerovej rovnice opisujúcej pohyb elektrónov v poli atómových jadier. Na ňu nadväzuje zóna s vačšou zrnitoťou, niektoré detaily sú vypustené – tejto zóne odpovedá menej presný výpočet s istými aproximáciami. Tie sú nutné na zahrnutie okolia reakčného centra, ktoré sa priamo na reakcii nezúčastňuje, ale ju môže rôznymi typmi medzimolekulových interakcií ovplyvniť. Vonkajšia časť fotografie má najväčšiu zrnitosť – táto oblasť v modeli QM/MM reprezentuje okolité prostredie, najčastejšie molekuly rozpúšťadla, ktoré vytvárajú akési silové pole pozadia, v ktorom je zvyčajne veľký počet molekúl vody, ktoré ovplyvňujú reakciu najmä elektrostatickými silami ďalekého dosahu. Vo vonkajšej zóne nepotrebujeme veľké detaily, aby sme dodržali pravidlá klasickej fyziky.
Po tomto úvode už bude hračkou porozumieť QM/MM prístupu na reálnom príklade. Kompletný model proteínu s reakčným centrom by sa „nezmestil“ do počítača, preto je vhodný QM/MM model. Miera zjednodušenia výpočtu rastie zvnútra von, pre najzložitešiu časť výpočtu berieme iba malú časť proteínu, kde je reakčné centrum. Zvyšok tvorí akýsi „molekulový komparz“, ktorý korektne modeluje okolité prostredie. To, že v strednej a vonkajšej vrstve nerozoznáme všetky detaily, nevadí.
Prínos Karplusa, Warshela a Levitta je v tom, že hoci „vzali“ štandardné nástroje teoretickej chémie, prepojili ich dovtedy nevídaným spôsobom a otvorili cestu k výpočtom, ktoré o jeden alebo dva rády zväčšili rozmery počítaných modelov. QM/MM metódy majú obrovský impakt nielen v chémii, ale aj v biochémii, ba dokonca v biológii. Takže kvantová biochémia alebo kvantová biológia sú dnes skutočnosťou.
.a čo my?
V období udeľovania Nobelovej ceny je u nás v médiách aj v laickej verejnosti obľúbeným folklórom diskusia, či aj na Slovensku sú alebo rastú jej budúci laureáti. Podľa môjho názoru je lepšie namiesto odpovede uviesť niekoľko notoricky známych faktov, vychádzajúcich z porovnania SR a ČR.
Po prvé, je to vývoj počtu a štruktúry vysokých škôl. Podľa údajov Ústavu informácií a prognóz školstva ich je 36, z toho 18 má názov univerzita. Z týchto 18 sa v rebríčku Scimago Institutions Rankings (SIR) umiestnilo iba 5 a spoločnosť im robí SAV, takže v rebríčku máme 6 ustanovizní vedy. ČR tam má spolu 43 inštitúcií, z toho 15 univerzít. Cieľom rebríčka je charakterizovať tieto inštitúcie podľa množstva a kvality ich výstupov. V regióne východnej Európy je v prvej stovke podľa SIR 9 českých, ale sú tam iba 2 slovenské – UK a STU. A čo je ešte vážnejšie, v rámci regiónu české univerzity stúpajú, kým slovenské skôr stagnujú. Tento rebríček funguje minimálne 5 rokov, takže manažmenty slovenských univerzít musia veľmi dobre vedieť, kde leží ich lesk a bieda.
Po druhé v roku 2011 sa v ČR na výskum a vzdelávanie vynaložilo zhruba 2,8 mld EUR, v SR to bolo 468 milónov EUR (podľa štatistických ročeniek). Ak uvážime, že ČR má dvakrát viac obyvateľov ako SR, vidíme, že na Slovensku vynakladáme približne trikrát menej prostriedkov. A to si Česku veľmi sťažujú na objem a zlú adresnosť investícií do vzdelávania a výskumu.
Po tretie, moji kolegovia, ktorí pracujú v chemickej olympiáde, sa každoročne stretávajú s rovnakou odpoveďou na otázku, koľko účastníkov z celoštátneho kola má záujem o štúdium na slovenských univerzitách. Odpoveď sa blíži k nule. Podobnú skúsenosť majú kolegovia z iných odborov. Elita maturantov odchádza buď do ČR, alebo ešte ďalej. Žneme ovocie dvadsaťročného úsilia o zlú adresnosť v delení štátnej dotácie a úspešný boj proti elitám.
Po štvrté, po rokoch prešľapovania za predchádzajúcich vlád (bez ohľadu na stranícke tričká) sa iniciatíva ministra školstva a Akreditačnej komisie sprísniť kritériá hodnotenia vysokých škôl sa dočkala zdrvujúcej kritiky zo strany opozície, ale aj Rektorskej konferencie. Tieto hlasy sa oháňajú retroaktivitou a podobnými nezmyslami. Pritom je dlhodobo známe, že sme s univerzitami na chvoste Európy, česť výnimkám a „ostrovom pozitívnej deviácie“ – napríklad UK ako jediná neváhala zverejniť svoje špičkové tímy identifikované agentúrou ARRA.
A odpoveď na otázku „Nobelova cena a Slovensko“ ? Hranatá guľa. Zatiaľ...
Autor je kvantový chemik.
.matematika, fyzika, chémia, počítače
Funguje tu zaujímavá hierarchia. Matematika dáva základné návody na popis fyzikálnych javov, čo umožňuje formulovať rovnice na popis mikrosveta (rozmery od 10-10 do 10-8 metra). To je svet atómov a molekúl a tiež doména kvantovej mechaniky. Chemici už dávno, pár rokov po jej zrode, pochopili, že tu je kľúč v vysvetleniu chemickej väzby, medzimolekulových interakcií a reaktivity – kvantová chémia sa etablovala začiatkom 30. rokov minulého storočia. Jedinou bariérou bola zložitosť výpočtov, takže jej aplikácie sa obmedzovali na veľmi malé molekuly.
Táto bariéra sa začala rozpadávať po nástupe výkonných počítačov. Súčasne s tým sa začalo zbližovanie kvantových a klasických výpočtových prístupov pre rozsiahle molekulové sústavy, toto zbližovanie vychádzalo z fyzikálneho princípu korešpondencie. Ten hovorí, že kvantová mechanika sa redukuje na klasickú – newtonovskú – v limite veľkých sústav. Pre chemikov sa pri pokuse skúmať veľké molekulové systémy stala veľmi atraktívnou molekulová mechanika a molekulová dynamika – oba postupy využívajú idey newtonovskej fyziky. Išlo len o to, skĺbiť kvantovú chémiu a molekulovú mechaniku do celku, použiť kvantovú chémiu pre tú menšiu časť, čo nazývame reakčné centrum a mechaniku na simuláciu prostredia, v ktorom reakcia prebieha.
Tohtoroční lauráti priniesli do chémie moment, ktorému sa s obľubou hovorí „nová paradigma“. Pripomeňme si oficiálne znenie, za čo bola udelená Nobelova cena: Development of multiscale models for complex chemical systems. Kľúčové v nej je slovo multiscale, pretože poukazuje na viacvrstvový alebo hierarchický prístup k riešeniu tak zložitých procesov, ako sú napríklad chemické reakcie v biologických systémoch.
Na určovanie štruktúry a dynamiky sa v chémii používajú rôzne druhy spektroskopií pracujúce v neuveriteľnom rozsahu časových a priestorových škál, röntgenová štruktúrna analýza, mikroskopie na atomárnej až subatomárnej úrovni, mikroanalytické metódy „na čipe“ a podobne. Napriek tomu sa ukazuje ako veľmi potrebné, aby experimentálna časť chémie spolupracovala s teoretickou. Súvisí to s nesmiernou zložitosťou chemických a biochemických procesov. V experimente často chýba dostatok informácií na definitívne uzávery, vtedy pomáha teoretický výpočet. Pred 50 rokmi sa v chémii (experimentálnej aj teoretickej) viac kládol dôraz na určenie štruktúry a menej sa vedelo alebo hovorilo o funkcii čiže o príčinách, prečo/ako reakcie prebiehajú. Dnes je to naopak. Prínos laureátov je okrem iného aj v tom otáčaní kormidla výskumu v teoretickej chémii od štruktúry k funkcii.
.centrum a okolie
V roku 1975 Honig, Warshel a Karplus publikovali článok o štruktúre a funkcii molekuly retinalu, ktorá má kľúčový význam v prvej fáze vnímania svetla zrakom. Ukázali, že prechod retinalu zo základného do excitovaného stavu vplyvom svetla je impulzom, ktorý aktivuje zrakový nerv. Už vtedy konštatovali, že na hlbšie pochopenie mechanizmu videnia potrebujú metódu, ktorá zahŕňa viac ako jednu molekulu. Neskôr Warshel a Karplus na Harvarde rozvíjali túto myšlienku, ich víziou bolo zahrnutie okolia, v chémii skôr hovoríme prostredia.
Tu prichádza na scénu idea viacvrstvového modelu. Po dvoch rokoch začal Warshel spolupracovať aj so svojím bývalým študentom Levittom, ktorý medzitým ukončil štúdiá na Cambridgei, a za dlhodobý cieľ si stanovili modelovanie enzymatických reakcií. Museli pritom „prinútiť“ viacvrstvový model, aby v ňom kvantová chémia a klasická mechanika hladko spolupracovali. Najmä, aby bol prechod medzi kvantovou a klasickou časťou modelu fyzikálne korektný, aby jeho kľúčové veličiny (napríklad energia) nevykazovali abnormálne skoky alebo nespojitosti. Pritom spolupráca „na diaľku“ s Karplusom nebola prerušená. Nová paradigma a tiež prvá verzia nového počítačového programu boli na svete v roku 1976. Samozrejme, mal ešte ďaleko od toho stupňa dokonalosti, aký majú podobné programy dnes, ale fungoval a dával pozoruhodné výsledky pre enzymatické reakcie. A čo bolo veľmi dôležité – veľkosť skúmaného systému už nebola tým povestným úzkym hrdlom. Veľmi skoro sa pre tento model zaviedla výstižná skratka QM/MM (quantum mechanics/molecular mechanics).
QM/MM model môžeme opísať na príklade kruhovej fotografie rozdelenej na tri zóny. V centrálnej je rozlíšenie najlepšie, so všetkými detailmi, v QM/MM modeli to predstavuje presný kvantovochemický výpočet – riešenie Schrödingerovej rovnice opisujúcej pohyb elektrónov v poli atómových jadier. Na ňu nadväzuje zóna s vačšou zrnitoťou, niektoré detaily sú vypustené – tejto zóne odpovedá menej presný výpočet s istými aproximáciami. Tie sú nutné na zahrnutie okolia reakčného centra, ktoré sa priamo na reakcii nezúčastňuje, ale ju môže rôznymi typmi medzimolekulových interakcií ovplyvniť. Vonkajšia časť fotografie má najväčšiu zrnitosť – táto oblasť v modeli QM/MM reprezentuje okolité prostredie, najčastejšie molekuly rozpúšťadla, ktoré vytvárajú akési silové pole pozadia, v ktorom je zvyčajne veľký počet molekúl vody, ktoré ovplyvňujú reakciu najmä elektrostatickými silami ďalekého dosahu. Vo vonkajšej zóne nepotrebujeme veľké detaily, aby sme dodržali pravidlá klasickej fyziky.
Po tomto úvode už bude hračkou porozumieť QM/MM prístupu na reálnom príklade. Kompletný model proteínu s reakčným centrom by sa „nezmestil“ do počítača, preto je vhodný QM/MM model. Miera zjednodušenia výpočtu rastie zvnútra von, pre najzložitešiu časť výpočtu berieme iba malú časť proteínu, kde je reakčné centrum. Zvyšok tvorí akýsi „molekulový komparz“, ktorý korektne modeluje okolité prostredie. To, že v strednej a vonkajšej vrstve nerozoznáme všetky detaily, nevadí.
Prínos Karplusa, Warshela a Levitta je v tom, že hoci „vzali“ štandardné nástroje teoretickej chémie, prepojili ich dovtedy nevídaným spôsobom a otvorili cestu k výpočtom, ktoré o jeden alebo dva rády zväčšili rozmery počítaných modelov. QM/MM metódy majú obrovský impakt nielen v chémii, ale aj v biochémii, ba dokonca v biológii. Takže kvantová biochémia alebo kvantová biológia sú dnes skutočnosťou.
.a čo my?
V období udeľovania Nobelovej ceny je u nás v médiách aj v laickej verejnosti obľúbeným folklórom diskusia, či aj na Slovensku sú alebo rastú jej budúci laureáti. Podľa môjho názoru je lepšie namiesto odpovede uviesť niekoľko notoricky známych faktov, vychádzajúcich z porovnania SR a ČR.
Po prvé, je to vývoj počtu a štruktúry vysokých škôl. Podľa údajov Ústavu informácií a prognóz školstva ich je 36, z toho 18 má názov univerzita. Z týchto 18 sa v rebríčku Scimago Institutions Rankings (SIR) umiestnilo iba 5 a spoločnosť im robí SAV, takže v rebríčku máme 6 ustanovizní vedy. ČR tam má spolu 43 inštitúcií, z toho 15 univerzít. Cieľom rebríčka je charakterizovať tieto inštitúcie podľa množstva a kvality ich výstupov. V regióne východnej Európy je v prvej stovke podľa SIR 9 českých, ale sú tam iba 2 slovenské – UK a STU. A čo je ešte vážnejšie, v rámci regiónu české univerzity stúpajú, kým slovenské skôr stagnujú. Tento rebríček funguje minimálne 5 rokov, takže manažmenty slovenských univerzít musia veľmi dobre vedieť, kde leží ich lesk a bieda.
Po druhé v roku 2011 sa v ČR na výskum a vzdelávanie vynaložilo zhruba 2,8 mld EUR, v SR to bolo 468 milónov EUR (podľa štatistických ročeniek). Ak uvážime, že ČR má dvakrát viac obyvateľov ako SR, vidíme, že na Slovensku vynakladáme približne trikrát menej prostriedkov. A to si Česku veľmi sťažujú na objem a zlú adresnosť investícií do vzdelávania a výskumu.
Po tretie, moji kolegovia, ktorí pracujú v chemickej olympiáde, sa každoročne stretávajú s rovnakou odpoveďou na otázku, koľko účastníkov z celoštátneho kola má záujem o štúdium na slovenských univerzitách. Odpoveď sa blíži k nule. Podobnú skúsenosť majú kolegovia z iných odborov. Elita maturantov odchádza buď do ČR, alebo ešte ďalej. Žneme ovocie dvadsaťročného úsilia o zlú adresnosť v delení štátnej dotácie a úspešný boj proti elitám.
Po štvrté, po rokoch prešľapovania za predchádzajúcich vlád (bez ohľadu na stranícke tričká) sa iniciatíva ministra školstva a Akreditačnej komisie sprísniť kritériá hodnotenia vysokých škôl sa dočkala zdrvujúcej kritiky zo strany opozície, ale aj Rektorskej konferencie. Tieto hlasy sa oháňajú retroaktivitou a podobnými nezmyslami. Pritom je dlhodobo známe, že sme s univerzitami na chvoste Európy, česť výnimkám a „ostrovom pozitívnej deviácie“ – napríklad UK ako jediná neváhala zverejniť svoje špičkové tímy identifikované agentúrou ARRA.
A odpoveď na otázku „Nobelova cena a Slovensko“ ? Hranatá guľa. Zatiaľ...
Autor je kvantový chemik.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.