شیمی کامپیوتری که نوبل 2013 را به خود اختصاص داد، چیست؟

مجید جویا: شیمیدان‌های سراسر جهان، هر روز بیش از پیش آزمایش‌های خود را به کامپیوتر منتقل می کنند و به جای آزمایشگاه، انجام آن را به کامپیوتر خود می‌سپارند. مارتین کارپلوس، مایکل لویت و آریش وارشل به کمک شیوه‌هایی که در دهه 1970/1350 پایه‌گذاری کردند، توانستند هر گام کوچک فرایندهای شیمیایی پیچیده را که برای چشم غیر مسلح رویت‌ناپذیر است، به این ترتیب بیازمایند.

برای این که شما؛ خواننده گرامی؛ بفهمید نوع بشر چه سودی از این کار برده، یک مثال می‌زنیم. روپوش آزمایشگاه خود را بپوشید تا یکی از مهم‌ترین واکنش‌های شیمیایی روی زمین را شبیه‌سازی کنید: فوتوسنتز. واکنش‌های شیمیایی رخ دهنده در برگ‌های سبز که جو زمین را سرشار از اکسیژن می‌کند، یکی از پیش‌نیازهای تشکیل حیات بر روی زمین است. ولی این مسئله از دید زیست‌محیطی هم جذاب است. اگر بتوانید فوتوسنتز را شبیه سازی کنید، می توانید سلول‌های خورشیدی پیچیده‌تری بسازید. وقتی مولکول‌های آب شکافته می شوند، اکسیژن آزاد می شود، ولی هیدروژن هم آزاد می‌شود که می‌توان از آن برای حرکت دادن خودروها استفاده کرد. در نتیجه انگیزه کافی برای این که خود را درگیر این پروژه کنید، وجود دارد: اگر موفق به حل مسئله فوق شوید، گام بزرگی در جهت کمک به حل مسئله اثر گلخانه‌ای برداشته‌اید.

یک عکس بیش از هزار کلمه است؛ ولی همه چیز نیست‌
به عنوان گام اول، شاید بهتر باشد به سراغ اینترنت بروید و تصویری سه بعدی از پروتئین‌هایی بیابید که فوتوسنتز را مدیریت می‌کنند. چنین تصاویری بر روی اینترنت به رایگان قابل برداشتن هستند. می‌توانید تصویر پیدا شده را روی کامپیوتر خود بچرخانید. این تصویر مولکول‌های غول‌آسای پروتئینی را نشان می‌دهد که از ده‌ها هزار اتم تشکیل شده‌اند. جایی در آن میان، یک منطقه کوچک وجود دارد که مرکز واکنش نامیده می‌شود. این جایی است که مولکول‌های آب تجزیه می‌شوند. ولی تنها چند اتم مستقیما در واکنش دخالت دارند. در میان چیزهای دیگر، می‌توانید چهار یون منگنز، یک یون کلسیم و چندین اتم اکسیژن ببینید. این تصویر به وضوح نشان می‌دهد که اتم‌ها و یون‌ها چگونه در ارتباط با هم قرار می‌گیرند، ولی چیزی در مورد کاری که این اتم‌ها و یون‌ها انجام می‌دهند نمی‌گوید. این همان چیزی است که باید دریابید. الکترون‌ها باید به ترتیبی از آب استخراج شوند و از چهار پروتون هم باید حفاظت شود. چگونه چنین چیزی رخ می‌دهد؟

تعیین جزئیات این فرایند با شیوه‌های سنتی شیمی غیر ممکن است. خیلی چیزها در کثری از یک هزارم ثانیه رخ می‌دهند؛ سرعتی که بیشتر از سرعت اکثر آزمایش‌های شیمیایی معمولی است. تخمین فرایند واکنش، با کمک تصویری که روی کامپیوتر خود ذخیره کرده‌اید هم کار سختی خواهد بود، چون این عکس مربوط به وقتی است که پروتئین در حالت استراحت بوده است. وقتی نور خورشید به برگ‌های سبز برخورد می‌کند، پروتئین‌ها پرانرژی می‌شوند و کل ساختار اتمی دچار تغییر می‌شود. برای درک واکنش‌های شیمیایی، شما باید بدانید که حالت پرانرژی دقیقا چه شکلی است.

در این مرحله است که شما می‌توانید از برنامه‌های کامپیوتری بهره ببرید که برندگان نوبل امسال، اصول آنها را مطرح کرده‌اند.

نظری و کاربردی؛ یک بده بستان موفق
شما با استفاده از این نوع نرم‌افزار می‌توانید انواع ممکن مسیرهای واکنش را محاسبه کنید. این کار، شبیه‌سازی یا مدل‌سازی نامیده می‌شود. در این حالت، شما می‌توانید بفهمید که هر اتم در مراحل متفاوت واکنش شیمیایی، چه نقشی را بازی می‌کند و وقتی یک مسیر احتمالی ممکن برای انجام واکنش شیمیایی داشته باشید، انجام آزمایش‌های واقعی برای آزمودن صحت شبیه‌سازی کامپیوتری ساده‌تر می‌شود. در عوض این آزمایش‌ها، می‌توانند اطلاعات بیشتری به دست بدهند که خود برای تهیه شبیه‌سازی‌های بهتر به کار می‌روند؛ روش‌های نظری و کاربردی، در یک بده بستان، همدیگر را تقویت می‌کنند. در نتیجه، اکنون شیمیدان‌ها زمان بیشتری را پشت کامپیوتر خود سپری می‌کنند تا جلوی لوله‌های آزمایش.

پس چه نکته ویژه‌ای در مورد برنامه‌های کامپیوتری وجود دارد که منجر به جایزه نوبل امسال شیمی برای نویسندگان آنها شد؟ 

ترکیب بهترین‌های دو دنیا
پیش از این، هنگامی که دانشمندان می‌خواستند مولکول‌ها را روی کامپیوتر شبیه‌سازی کنند، از نرم‌افزارهایی استفاده می‌کردند که بر مبنای اصول فیزیک کلاسیک نیوتنی یا فیزیک کوانتوم نوشته شده بودند. هر دوی اینها نقاط قوت و ضعف خود را داشتند. نرم‌افزارهای فیزیک کلاسیک می‌توانستند مولکول‌های بزرگ را محاسبه و پردازش کنند. هرچند آنها فقط می توانستند مولکول‌ها را در حال استراحت نشان دهند، ولی به خوبی به فیزیکدان‌ها نشان می‌دادند که آرایش اتم‌ها در مولکول چگونه است. با این وجود، نمی‌توانستید از این برنامه‌ها برای شبیه سازی واکنش‌های شیمیایی استفاده کنید. در جریان واکنش، مولکول‌ها پر از انرژی شده و برانگیخته می‌شوند. فیزیک کلاسیک هیچ درکی از این حالت‌ها ندارد، که محدودیت بزرگی برای آن است.

هنگامی که دانشمندان می‌خواستند واکنش‌های شیمیایی را شبیه سازی کنند، مجبور بودند به فیزیک کوانتوم رو بیاورند؛ همان نظریه عجیبی که در آن الکترون ها می‌توانند همزمان هم موج باشند و هم ذره، و گربه شرودینگر در آن جعبه معروف می‌تواند همزمان هم زنده باشد و هم مرده. قدرت فیزیک کوانتوم در این است که پیش فرضی ندارد و مدلسازی انجام شده با آن، حاوی هیچ یک از پیش فرض‌های دانشمندان نیست. در نتیجه چنین شبیه سازی‌هایی واقعی‌ترند. اما مشکل کار اینجا است که محاسبات آنها نیاز به نیروی پردازشی بیشتری دارد. کامپیوتر باید هر الکترون و هر هسته اتمی در مولکول را جداگانه پردازش کند. این را می‌توان با تعداد پیکسل‌ها در یک عکس دیجیتال مقایسه کرد. تعداد زیاد پیکسل‌ها به شما کیفیت بالای تصویر را می‌دهد، ولی منابع بیشتری را از کامپیوتر مصرف می‌کند. محاسبات فیزیک کوانتوم هم مشابه تصاویر با کیفیت هست، توصیف دقیق‌تری از فرایند واکنش‌های شیمیایی به دست می‌دهد، ولی نیاز به کامپیوترهای قوی‌تری هم دارد. در دهه 1970/1350، این بدان معنی بود که دانشمندان تنها می‌توانستند محاسبات پردازشی خود را بر روی مولکول‌های کوچک انجام دهند. علاوه بر این، به رغم اینکه واکنش‌ها در عالم واقع معمولا در نوعی محلول اتفاق می‌افتند، وقتی مدلسازی می‌کردند، مجبور بودند که واکنش‌ها با محیط بیرونی را نادیده بگیرند. چرا که اگر دانشمندان می‌خواستند که کامپیوتر، حلال را نیز در محاسبه خود دخیل کند، برای رسیدن به جواب مجبور بودند چند دهه صبر کنند تا کامپیوترهای ابتدایی آن دوران، بتوانند محاسبات را انجام دهند.

در نتیجه، شیمی کلاسیک و کوانتوم بر مبانی کاملا متفاوتی بنا نهاده شده بودند، و از برخی جهات در دنیاهای جداگانه و متضادی سیر می‌کردند. ولی برندگان نوبل امسال شیمی دروازه‌ای بین این دو دنیا باز کردند. در مدل کامپیوتری آنها، نیوتن و سیبش با شرودینگر و گربه‌اش دوست بودند.

همکاری شیمی کوانتوم با فیزیک کلاسیک
اولین گام در این همکاری در ابتدای دهه 1970/1350 در آزمایشگاه مارتین کارپلاس در دانشگاه هاروارد امریکا برداشته شد. کارپلاس از دنیای کوانتوم می‌آمد. گروه پژوهشی او برنامه‌های کامپیوتری نوشته بودند که می‌توانست واکنش‌های شیمیایی را به کمک فیزیک کوانتوم شبیه سازی کند. او همچنین “معادله کارپلاس” را ارائه کرده بود، که در رزونانس مغناطیسی اتمی یا NMR از آن استفاده می‌شد؛ شیوه شناخته شده‌ای برای شیمیدان‌ها که بر مبنای خواص شیمیایی کوانتومی مولکول‌ها بنا شده است. آریه وارشل با پایان تحصیلات دکترایش در سال 1970/1349، وارد آزمایشگاه کارپلاس شد. او دکترایش را در انستیتوی علوم وایزمن گرفته بود. این دانشگاه یک کامپیوتر قدرتمند به نام گولم داشت. آریه وارشل و مایکل لویت به کمک گولم یک برنامه کامپیوتری بر مبنای نظریه‌های کلاسیک نوشته بودند. برنامه آنها اجازه شبیه سازی هر نوع مولکولی را می‌داد، حتی مولکول‌های زیستی خیلی بزرگ.

هنگامی که آریه وارشل به مارتین کارپلاس در هاروارد پیوست، برنامه کامپیوتریش را هم با خود آورد. او و کارپلاس با استفاده از آن به عنوان نقطه عزیمت، شروع به نوشتن یک نوع برنامه جدید کردند که انواع محاسبات مختلف را بر روی الکترون‌ها انجام می‌داد. در اکثر مولکول‌ها هر الکترون به دور یک هسته اتمی مشخص می‌گردد. ولی در برخی مولکول ها، اتم‌های مشخصی می‌توانند آزادانه در فضای بین مولکولی حرکت کنند. چنین الکترون‌های آزادی را مثلا می‌شود در مولکول‎های شبکیه چشم یافت. کارپلاس از قدیم علاقه خاصی به مولکول رتینال (شبکیه) داشت، چرا که خواص شیمیایی این مولکول می‌توانست بر یک عملکرد خاص زیستی تاثیر بگذارد؛ وقتی نور به رتینال برخورد می‌کند، الکترون‌های آزاد رتینال پر از انرژی می‌شوند؛ که حالت مولکول را عوض می‌کند. این اولین گام در دیدن انسان است.

در نهایت کارپلاس و وارشل تصمیم به مدلسازی رتینال گرفتند. آنها با مولکول‌های ساختاری مشابه اما ساده‌تر شروع کردند. سپس یک برنامه کامپیوتری نوشتند که وقتی محاسبات الکترون‌های آزاد را انجام می‌داد، از فیزیک کوانتوم استفاده می‌کرد، و برای دیگر الکترون‌ها و همه هسته‌های اتم‌ها از فیزیک کلاسیک. آنها در سال 1972/1351 مقاله خود را منتشر کردند. این اولین باری بود که فردی یک همکاری شیمیایی بین فیزیک کلاسیک و کوانتوم ترتیب می‌داد. برنامه آنها راه جدیدی را گشوده بود، اما یک محدودیت داشت: تنها می‌توانست مولکول‌هایی با شکل هندسی متقارن را شبیه سازی کند.

برنامه جامع محاسبه شیمی زندگی‌
پس از دو سال در هاروارد، آریه وارشل دوباره با مایکل لویت همکار شد. لویت اکنون دکترایش را در کمبریج انگلیس تمام کرده بود؛ که در آن زمان دانشگاه پیشرو جهان در بررسی مولکول‌های زیستی مانند دی‌.ان‌.ای، آر.ان‌.ای و پروتئین‌ها بود. او از برنامه کامپیوتری کلاسیک خود استفاده کرده بود تا بتواند به درک بهتری از این برسد که مولکول‌های زیستی چه شکلی هستند. ولی محدودیت به جای خود باقی مانده بود؛ این نرم افزار فقط می‌توانست مولکول‌ها را در حالت استراحت بررسی کند.

هدف لویت و وارشل بلند پروازانه بود، برنامه‌ای که بشود از آن برای بررسی آنزیم‌ها استفاده کرد؛ یعنی پروتئین‌هایی که واکنش‌های شیمیایی را در اندام‌های ما کنترل و ساده سازی می‌کنند. وارشل که در آن زمان دانشجویی جوان بود، در مورد نحوه عملکرد آنزیم‌ها کنجکاو شده بود. این همکاری بین آنزیم‌ها است که حیات را ممکن کرده است. آنها تقریبا کل فرایندهای شیمیایی در بدن ما را کنترل می‌کنند. اگر می‌خواهید حیات را درک کنید، باید سر از کار آنزیم‌ها در بیاورید.

لویت و وارشل برای این که بتوانند واکنش‌های آنزیم‌ها را شبیه سازی کنند، باید در محیطی یکدست‌تر از هر دو نوع فیزیک کلاسیک و کوانتوم استفاده می‌کردند. سال‌ها طول کشید تا بر همه موانع فائق بیایند. آنها کار خود را در انستیتو وایزمن شروع کردند، ولی وقتی چند سال بعد، لویت دوره پست دکترایش را تمام کرد، به کمبریج برگشت و وارشل هم به او پیوست. در سال 1976/1355، آنها به هدف خود رسیدند و مقاله اولین مدل کامپیوتری واکنش آنزیم‌ها را منتشر کردند. برنامه آن دو انقلابی بود چون می‌شد از هر نوع مولکولی در آن استفاده کرد. ابعاد مولکول دیگر مانعی بر سر شبیه سازی واکنش‌های شیمیایی نبود.

تمرکز بر روی قلب فرایند
امروزه هنگامی که شیمیدان‌ها فرایندهای شیمیایی را مدلسازی می‌کنند، نیرو را درست به جایی که مورد نیاز است اعمال می‌کنند. آنها محاسبات پرمصرف فیزیک کوانتوم را بر روی الکترون‌ها و هسته‌های اتمی انجام می‌دهند که مستقیما در فرایند شیمیایی نقش دارند. به این ترتیب، آنها بیشترین دقت را در جایی که مورد نیاز است، به دست می‌آورند. دیگر بخش‌های مولکول‌ها با استفاده از معادلات کلاسیک مدل می‌شوند.

برای عدم اتلاف توان محاسباتی کامپیوتر، مایکل لویت و آریه وارشل، حذف شاخ و برگ‌های اضافی محاسبات را حتی یک مرحله جلوتر بردند. کامپیوتر همیشه مجبور نیست که تک تک اتم‌ها را در بخش‌های کم اهمیت‌تر مولکول در نظر بگیرد. آنها نشان دادند که می‌توان چندین اتم را در جریان محاسبات با هم یکی کرد و از بار محاسبات کاست.

در معادلات امروزی، دانشمندان یک لایه سوم را هم به شبیه‌سازی‌های خود افزوده‌اند. کامپیوتر در یک فرایند ساده سازی شده می‌تواند برای مناطقی که دور از فرایند شیمیایی قرار دارند، اتم‌ها و مولکول‌ها را به صورت یک جرم یکنواخت در نظر بگیرد. در جوامع علمی، به چنین چیزی رسانای دی‌الکتریک می‌گویند.

آینده شبیه‌سازی‌ها
این واقعیت که دانشمندان امروزه می‌توانند از کامپیوتر برای انجام آزمایش‌های خود استفاده کنند، منجر به درک عمیق‌تری از نحوه انجام واکنش‌های شیمیایی شده است. قدرت شیوه‌هایی که مارتین کارپلاس، مایکل لویت و آریه وارشل خلق کردند، در این بود که این شیوه‌ها جهانی و جامع بودند. می‌توان از آنها برای بررسی هر نوع واکنش شیمیایی استفاده کرد؛ از مولکول‌های زیستی تا فرایندهای شیمیایی صنعتی. دانشمندان می توانند سلول‌های خورشیدی، کاتالیزورهای موتورهای خودروها یا حتی داروها را به کمک اینها بهینه کنند.

اما پیشرفت در اینجا متوقف نخواهد شد. مایکل لویت در یکی از نوشته‌هایش در مورد رویایش می‌نویسد: شبیه سازی اندام‌های حیاتی در سطح مولکولی. ایده جذاب اما سهل و ممتنعی به نظر می‌رسد. مدل‌های کامپیوتری که توسط برندگان جایزه نوبل 2013 شیمی ساخته شده‌اند، ابزارهای قدرتمندی هستند. ولی دقیقا تا کجا می توانند دانش ما را به پیش ببرند، چیزی است که آینده در مورد آن تصمیم می‌گیرد.

برندگان جایزه نوبل شیمی 2013

مارتین کارپلاس
83 ساله. دکترای خود را در سال 1953/1332 از کلتک (انستیتو صنعتی کالیفرنیا) دریافت کرد. او استاد دانشگاه استراسبورگ فرانسه و استاد بازنشسته صاحب کرسی تئودور ویلیام ریچاردز در دانشگاه هاروارد است.

مایکل لویت
66 ساله. دکترای خود را در سال 1971/1350 از دانشگاه کمبریج انگلیس دریافت کرد و هم‌اکنون استاد صاحب کرسی رابرت و ویویان سی کیهیل در مرکز تحقیقات سرطان، دانشکده پزشکی دانشگاه استنفورد امریکاست.

 

 

آریه وارشل
73 ساله. دکترای خود را در سال 1348/1969 از انستیتوی علوم وایزمن رهووات دریافت کرد و هم‌اکنون استاد ممتاز دانشگاه کالیفرنیای جنوبی است.


53271