Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Вирусная частица с нуклеиновой кислотой, белковой оболочкой и окружающими ионами в растворе
Иллюстрация: Theoretical and Computational Biophysics Group/University of Illinois at Urbana-Champaign
Мартин Карплус
Фото: Josh Reynolds / AP
1,6-дифенил-1,3,5-гексатиен с облаками пи-электронов.
Изображение: The Royal Swedish Academy of Sciences
Упрощение модели реакции за счет раздельного представления ферментативного центра лизоцима и остальной молекулы. Из работы Уоршела и Левитта в 1976 году.
Изображение: The Royal Swedish Academy of Sciences/ Адаптировано из Warshel, Levitt, JMB, 1976
Упрощение модели белка за счет представления его аминокислотных остатков виде упругих сфер с разным радиусом. Подобный метод был использован Уоршелом и Левиттом в 1975 году.
Изображение: The Royal Swedish Academy of Sciences
Арье Уоршел
Фото: Nick Ut / AP
Майкл Левитт
Фото: Eric Risberg / AP
Конформации белков в поле потенциальной энергии. Чем ниже яма, тем меньше энергия и стабильнее конформация белка.
Иллюстрация: Theoretical and Computational Biophysics Group/University of Illinois at Urbana-Champaign
Моделирование мембраны митохондрии с белками — креатинкиназой и адениновой транслоказой.
Jaanus Karo, Pearu Peterson, Marko Vendelin/The Laboratory of Systems Biology /Tallinn University of Technology
Моделирование вируса в кубе раствора, малиновым показаны ионы.
Иллюстрация: Theoretical and Computational Biophysics Group/University of Illinois at Urbana-Champaign
Тот же вирус в другом рендеринге. Видны полипептидные цепи белков оболочки.
Иллюстрация: Theoretical and Computational Biophysics Group/University of Illinois at Urbana-Champaign
Константин Шайтан
Фото: bioeng.ru

Интимная жизнь молекул

Ключевые слова:  Нобелевская премия 2013, периодика, Химия

Автор(ы): Александр Ершов

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

10 октября 2013

Нобелевская премия по химии в этом году досталась Мартину Карплусу, Майклу Левитту и Арье Уоршелу за создание методов компьютерного моделирования молекул и их реакций. Несмотря на название номинации, в этой области помимо химии пересекаются и физика, и биология с медициной, и даже информационные технологии. Как появилось это направление в науке и почему Нобелевский комитет решил отметить его пионеров, «Ленте.ру» рассказал один из главных российских экспертов по молекулярному моделированию, глава группы молекулярного моделирования биофака МГУ профессор Константин Шайтан.

Моделирование молекул позволяет рассмотреть их поведение в самых тонких деталях, которые недоступны никаким экспериментальным наблюдениям. Моделирование, например, открывает взору исследователей промежуточные соединения, которые в реальности существуют в масштабе даже не нано-, а пикосекунд. Кроме того, моделирование, в принципе, способно в мельчайших деталях предсказывать, как будут взаимодействовать молекулы, которых пока вовсе не существует в природе, например, еще не синтезированные лекарства.

Несмотря на столь широкие потенциальные возможности, моделирование появилось существенно позднее, чем стали ясны законы квантовой механики, хотя они полностью описывают поведение молекул. Теоретически, после открытия уравнения Шредингера можно было сразу предсказать математическими методами не только температуру плавления льда или спирта, но и рассчитать трехмерную конфигурацию белка по его первичной последовательности. Здесь, однако, возникают две практические проблемы: во-первых, для этого нужно было бы сперва изобрести компьютеры (которые также появились существенно позже, чем квантовая механика), а во-вторых, эти компьютеры должны были бы обладать фантастической производительностью, которая на самом деле не достижима ни сейчас, ни в ближайшем будущем. За что же тогда присудили нынешнюю Нобелевскую премию?

Ответ заключается в том, что молекулярное моделирование в том виде, в каком оно появилось и существует до сегодняшнего дня, это искусство правильного выбора между слишком сложным и слишком простым. Иными словами, это искусство упрощения. Да, формально поведение молекул управляется квантовыми законами, но далеко не всегда квантовые эффекты заметно влияют на поведение молекул. Именно поэтому при моделировании большую часть молекул часто представляют как некие ньютоновские объекты, которые взаимодействуют друг с другом не сложнее, чем пластиковые шарики в сухом бассейне. С другой стороны, такое упрощение недопустимо в тех местах, где идут полноценные химические реакции, например, в реакционных центрах ферментов. Вся наука молекулярного моделирования как раз и заключена в промежутке между неподъемными для компьютеров квантовыми расчетами «из первых принципов» и упрощением до уровня упругих пластиковых шариков.

Заслуги нынешних нобелевских лауреатов заключаются в том, что им удалось разделить в молекулах взаимодействия, которые можно моделировать с разной физической точностью. Они же составили первые компьютерные программы, которые позволяют провести это моделирование.

Как именно ученым удалось разделить поведение молекул в модели, продемонстрировано в одной из первых совместных работ Карплуса и Левитта,опубликованной в 1972 году. Нынешние лауреаты моделировали спектры необычной молекулы — дифенилгексатриена, который за счет сопряженных связей является почти совершенно плоской молекулой. Ученые показали, что если разделить всю молекулу на пи-электроны и все остальное, то первые можно моделировать квантовыми расчетами, а то что осталось, — за счет классической механики. То, что такой подход эффективен, доказали результаты спектроскопии, которые полностью совпали с предсказанными.

Этот одиночный пример, хотя и сильно упрощенный, позволяет в некоторой степени понять, между какими Сциллой и Харибдой движется современное молекулярное моделирование. О том, как появилось это научное направление и в чем заслуга нынешних лауреатов, мы спросили одного из главных отечественных специалистов в этой области, Константина Шайтана.

Константин Шайтан: «Фактически, молекулярное моделирование — это численный эксперимент, который позволяет получить информацию, не доступную никаким обычным экспериментальным методам. Моделирование позволяет рассмотреть, как движутся молекулы, как они взаимодействуют друг с другом. По своей сути, молекулярная динамика, — это решение системы классических уравнений Ньютона для большого числа взаимодействующих частиц. Для миллиона атомов, которые содержатся в современных моделях, — это три миллиона уравнений. То есть три миллиона в квадрате потенциалов взаимодействий. Это огромные вычисления, поэтому первые модели строились на максимально простых системах.

Это направление возникло в тот момент, когда появились первые ЭВМ. Тогда это еще были ламповые машины, и первое, что стали на этих машинах моделировать, были жидкости. Это связано с тем, что развитой теории жидкости, в отличие от теории газа или твердого тела, в тот момент фактически не существовало. Именно поэтому моделирование жидкости было особенно интересно ученым. Любимым объектом такого моделирования в 50-е годы был жидкий аргон, то есть система атомов аргона, взаимодействие между которыми описывалось простой формулой — потенциалом Леннарда-Джонса.

Когда появились полимеры, а затем и вспыхнул интерес к динамике биологических молекул, прежде всего белков, возникла задача — как моделировать эти объекты, ведь они сильно отличаются от воды. В отличие от жидкостей, в полимерах разные группы связаны химическими связями, молекулы могут быть как-то свернуты, и поэтому поведение полимеров сильно отличается от поведения того же жидкого аргона.

Одна из первых компьютерных программ, которая позволила моделировать именно полимеры, была разработана в СССР в Институте прикладной математики, нынешнем институте Келдыша. Ее автором стал тогдашний аспирант, Николай Кириллович Балабаев, это была его кандидатская диссертация. Он сейчас работает в Пущино, заведует лабораторией молекулярной динамики. Однако, из-за проводившейся тогда борьбы с кибернетикой, этой «продажной девкой империализма», мы были отброшены в развитии компьютерных технологий очень сильно назад. В то же время американские ученые тогда очень быстро вырвались вперед. Именно в этот момент Мартин Карплус и его коллеги очень быстро развили метод молекулярной динамики для исследования полимеров и биополимеров.

Сложность тех систем, за которыми ученые наблюдали все эти годы, конечно, очень сильно увеличилась. В конце 70-х годов речь шла о динамике единичных молекул белка. Это были рекордные расчеты на грани возможности, и даже такие компании, как IBM, использовали эти расчеты для нужд собственной имиджевой рекламы. К настоящему времени, в связи с появлением суперкомпьютеров с экзофлопными вычислениями, это направление чрезвычайно бурно развилось.

Системы, которые моделируются сейчас, это системы до миллиона атомов. Они могут представлять собой не отдельный белок, а, например, целый белковый комплекс в липидной мембране, да еще и окруженный огромным количеством молекул воды. Длительность процессов, которые можно моделировать, очень сильно выросла. Если прежде речь шла о пикосекундах (10-12), то теперь это уже десятые-сотые доли секунды. И это не просто цифры, это принципиальный момент, потому что от характерного времени моделирования систем зависит область применимости результатов: пикосекунды — это еще только физика, микросекунды — это уже биология.

Если говорить о личном вкладе нынешних лауреатов, то, Карплус, можно сказать, патриарх этой области. Я с ним виделся в 1991 году, когда он приезжал в СССР на семинар по динамике белков, который устраивал академик Гольданский. Поэтому мне очень приятно, что он дожил до Нобелевской премии.

Группа Карплуса в Гарварде очень много сделала для калибровки потенциальных полей между атомами, между разными степенями свободы в молекуле. Такая калибровка — важнейший момент для молекулярной динамики, и его группа сильно продвинулась в этом направлении. Сейчас есть несколько вариантов этих силовых полей, но гарвардская модель наиболее полная, она учитывает максимальное количество тех факторов, которые известны на сегодняшний день.

Конечно, работы Карплуса и его коллег не появились на пустом месте. Можно вспомнить Френка Стиллинджера, который очень много работал по динамике воды. Но в области биологии именно эта группа внесла наиболее важный вклад, поэтому присуждение премии нынешним лауреатам, безусловно, совершенно заслуженное.

евитт и Уоршел тоже занимались динамикой, но на разных объектах. Левитт много сделал для применения моделирования в рентгеновской кристаллографии. Простой пример: современная биохимия немыслима без определения рентгеновской структуры белков. Эта работа, однако, всегда подразумевает не только эксперимент (собственно выращивание кристалла и получение картины дифракции), но и моделирование, расчет получившейся структуры. От дифракционной картины до трехмерной структуры — длинный путь. На последнем этапе там очень важны методы минимизации энергии, «подгонки» молекулы в наиболее естественное состояние, и делается это как раз методами молекулярной динамики.

Уоршел много работал над моделированием переноса протона. Это один из важнейших процессов в биологии, он задействован и в фотосинтезе, и в дыхании в митохондриях, да и в «чистой» химии много где участвует. Ключевой момент здесь в том, что когда меняется положение протона, меняются электронно-волновая функция системы и ее энергия. И вам нужно сопрячь в одном расчете изменение положения протона и соответствующее изменение электронной плотности. Для расчета таких процессов используются одновременно и классические и квантовые вычисления, их называют QM/MM-методы (quantum mechanics/molecular mechanics). И вот в их разработке Уоршел принял непосредственное участие.

То, что Нобелевскую премию дали именно за моделирование, — это симптоматично, это хорошо. Молекулярное моделирование сейчас — это уникальный инструмент, который изменил облик современной биологии. Хотя, честно говоря, я такого решения комитета никак не ожидал».


В статье использованы материалы: Газета.ру


Средний балл: 10.0 (голосов 2)

 


Комментарии
Пастух Евфграфович, 11 октября 2013 09:53 
"потенциал взаимодействий"
Весьма интересен ответ на вопрос: "Каким образом слон, имеющий явно больший "потенциал взаимодействий" менее живучая, относительно человека, система? Не является ли "скорость взаимодействий потенциалов", динамика, решающим фактором в развитии интеллекта? Т.е. "стресс в степени стресс" приводит к созданию альфа хищника - Человека. И, следовательно, может быть, в этой связи, интереснее развивать способности хищников, как потенциально более способных? Восхитительные пчёлы умрут от голода, не имея в арсенале "слова" - "пища прямо над нами в пятнадцати метрах!" Но и семена "умнее" птиц в способе размножения растений ...?
Р.S. Я к тому, что наступает ли неотвратимо момент, когда одна молекула "пожирает" часть другой или это вообще другой уровень биологии? Хотя, интеллект мне представляется всё-таки полотном флага на древке ветра окружающих флаг событий (к которым он, в связи с химической зависимостью молекул, стремится). Страх и Голод - двигатель интима и... прогресса?

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Снежинки
Снежинки

Стань частью первой в России магистерской программы в области LED- технологий!
Стать участником первой в России магистерской программы в области LED- технологий можно уже на первой волне вступительных испытаний 8 и 9 июля, подав документы в Приемную комиссию Университета ИТМО (г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, д. 49). Документы также можно подать почтой.

20 июня в МГУ стартовала приёмная кампания
20 июня в МГУ имени М.В. Ломоносова стартовала приёмная кампания. В новому учебном 2019/2020 году в Московский университет поступят около 10 тысяч абитуриентов, откроются 4 новых направления подготовки и свыше 10 образовательных программ.

Коллекция статей в Frontiers in Chemistry, посвященная Международному Году Периодической Таблицы Элементов
Открыт прием статей в коллекцию Frontiers in Chemistry (Open Access, IF 4.155), посвященной 150 - летию Периодической Таблицы Элементов.

Новые гибридные перовскитоподобные материалы для солнечной энергетики
Тарасов Алексей Борисович, Постнаука
Как сохранить энергию солнца или ветра? Как может измениться стационарная энергетика в будущем? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) Постнаука рассказывает о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Материалы к защитам квалификационных работ бакалавров на ФНМ МГУ в 2019 году
Коллектив авторов
4-7 июня 2019 г. (11-00) в аудитории 221 корпуса Б пройдут защиты ВКР бакалавров ФНМ МГУ.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2019 году
Семенова Анна Александровна
21-24 мая 2019 года в лабораторном корпусе Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ МГУ.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.