نوبل 2013 شیمی: بردن آزمایش به فضای سایبری

فرانک مجیدی: واکنش‌های شیمیایی با سرعت بالایی رخ می‌دهند، الکترون‌ها بین هسته‌ی اتم‌های اطراف در حرکت‌ند و آن چه که واقعاً رخ می‌دهد، از چشمان کنجکاو دانشمندان علم شیمی پنهان است. برندگان نوبل شیمی سال 2013 این امکان را فراهم آورده‌اند که طرحی برای آن چه در واکنش‌های شیمیایی رخ می‌دهد، در کامپیوتر محاسبه نمایند. دانش همراه با جزئیات از علم شیمی، موجب بهینه‌سازی کاتالیست‌ها، داروها و سلول‌های خورشیدی می‌گردد.

با کمک روشی که «مارتین کارپلاس»، «مایکل لِویت» و «آریه وارشل» از دهه‌ی 70 میلادی آغاز نمودند، هر مرحله‌ی کوچک از روند ایجاد کمپلکس‌های شیمیایی که از چشمان غیرمسلح پنهان است، مورد بازبینی قرار گرفت. اما سود این کار چه بود؟ فوتوسنتز مصنوعی را در نظر بگیرید. این عمل، هم از لحاظ اکسیژن‌سازی و هم از منظر محیطی حائز اهمیت است. با تقلید از عمل فوتوسنتز می‌توان سلول‌های خورشیدی کارآتری ساخت. اگر در انجام این پروژه موفق شوید، می‌توانید راهد حل برای مشکل اثر گلخانه ای نیز ارائه دهید.

شکل 1: شیمیست های امروزی همان‌قدر که در آزمایشگاه‌هایشان کار می‌کنند، پشت کامپیوترهایشان هم کار می‌کنند. نتایج تئوریک با آزمایش‌های عینی تأیید می‌گردد که منجر به سرنخ‌های جدیدی در باب چگونگی کارکرد جهان اتم‌ها می‌شود. کار تئوری و عملی به هم مرتبط هستند.

تصاویر بیش از هزار واژه سخن می‌گویند، اما نه همه همه چیز را!

در گام اول، ممکن است آنلاین شوید و تصاویری از پروتئین‌هایی سه‌بُعدی بیابید که در فوتوسنتز مؤثر باشند. این پروتئین‌ها می‌توانند ساختارهایی بزرگ با ده‌ها هزار اتم داشته‌باشند. در میانه‌ی این پروتئین‌ها، منطقه‌هایی کوچک هستند که به آن‌ها مرکز واکنش می‌گویند، یعنی جایی که مولکول‌های آب جدا می‌شوند. با این‌حال، تنها تعداد اندکی از مولکول‌ها درگیر واکنش می‌شوند. بعلاوه، می‌توانید چهار اتم منگنز، یک اتم کلسیم و چندین اتم اکسیژن نیز مشاهده نمایید. تصاویر، موقعیت اتم‌ها را نسبت به یکدیگر به‌خوبی نشان می‌دهد اما اطلاعاتی درباره‌ی آن چه این اتم‌ها و یون‌ها انجام می‌دهند، به دست نمی‌دهند. این، همان چیزی است که شما باید به دنبال یافتنش باشید! به گونه‌ای، الکترون‌ها بایستی از آب استخراج گردند و چهار پروتون در این روند نیاز است. این اتفاق چگونه می‌افتد؟

دانستن این موارد، با به‌کارگیری روش‌های قدیمی در شیمی ناممکن است، چرا که بسیاری از وقایع شیمیایی در کسر ناچیزی از ثانیه رخ می‌دهند. همچنین از روی تصویر، حدس چگونگی پروسه‌ی واکنش نیز دشوار است، چرا که تصاویر در حالی برداشته شده‌اند که مولکول در حال استراحت بوده، و نه در حال واکنش! برای دانستن روند شیمیایی فوتوسنتز، باید دانست حالات سرشار از انرژی ناشی از تابش خورشید بر این پروتئین‌ها چگونه است. پس به برنامه‌های کامپیوتزی که برندگان نوبل شیمی امسال پایه‌گذاری نموده‌اند، نیاز خواهید داشت.

تئوری و عمل- یک ارتباط متقابل موفق
با استفاده از این برنامه‌های کامپیوتری، می‌توانید چندین مسیر محتمل را برای واکنش محاسبه نمایید. به این کار، شبیه‌سازی یا ساخت مدل می‌گویند. به کمک این عمل، شما می‌توانید ایده‌ای داشته‌باشید که کدام اتم‌ها نقش اصلی را در مراحل مختلف واکنش شیمیایی ایفا می‌کنند. وقتی روش محتمل کار را بشناسید، راه‌ها برایتان در واکنش واقعی تسهیل می‌گردد تا بدانید پیشنهادات کامپیوتر درست بوده‌اند، یا خیر. از آن‌پس، آزمایشات عملی حتی می‌توانند به شما کمک کنند تا به شبیه‌سازی‌های بهتری نیز دست یابید. این همان ارتباط متقابل تئوری و عمل است.

گردآوری بهترین‌های هر دو دنیا

پیش‌تر، وقتی دانشمندان می‌خواستند مولکول‌ها را در کامپیوترهایشان شبیه سازی کنند، نرم‌افزارهایی بر اساس تئوری‌های فیزیک نیوتونی و فیزیک کوانتومی در اختیار داشتند. این هر دو، نقاط قوت و ضعف خاصّ خود را داشتند. با آن که روش‌های کلاسیک تنها می‌توانست مولکول‌ها را در حالت استراحت نشان دهد، اما توانایی محاسبه و ارائه‌ی روند طی‌شده برای بسیاری از مولکول‌های شیمیایی را داشت. با این‌حال، نقص بزرگ این برنامه‌ها این بود که نمی‌توانست شبیه‌سازی واکنش‌های شیمیایی را انجام دهد. در طول واکنش، مولکول‌ها مملو از انرژی هستند و برانگیخته می‌شوند. عدم ارائه‌ی مکانیسمی قابل درک برای واکنش‌های شیمیایی، از ضعف‌های عمده‌ی فیزیک کلاسیک بود. در این‌جا بود که شیمی‌دان‌ها بایستی به فیزیک کوانتوم پناه می‌بردند که الکترون‌ها خاصیت هم‌زمان موجی و ذره‌ای از خود بروز می‌دادند و گربه‌ی مشهور آقای شرودینگر هم که قصد خروج از جعبه‌اش را نداشت، می توانست زنده یا مرده باشد! قدرت فیزیک کوانتوم، در همین در دسترس بودنش است و طبعاً مدل‌هایی که بر اساس این روش ارائه می‌گردد، واقع‌گرایی بیشتری دارند. اما مشکل از آن‌جا آغاز می‌گردد که این محاسبات نیاز به کامپیوترهایی بسیار قوی دارند. کامپیوتر، باید بتواند جزئیات حرکات و واکنش‌های هر الکترون در هر اتم را بررسی نماید. همان‌طوری که تعداد بسیاری از پیکسل‌ها منجر به ایجاد تصویری بزرگ می‌شوند، در این‌جا نیز تعداد زیادی محاسبات منجر به شناسایی یک شبیه‌سازی می‌گردد. در دهه‌ی هفتاد میلادی و با توجه به قدرت کامپیوترهای آن زمان، این بدان معنا بود که این روش محاسباتی تنها برای مولکول‌های کوچک قابل کاربردپذیری بود. تازه، این در حالتی بود که دانشمندان باید به‌طور کلی از برهم‌کنش مولکول‌ها با محیط اطرافشان چشم می‌پوشیدند، حال آن‌که در شرایط واقعی، حتماً مولکول‌ها با بخش‌هایی از محلول برهم‌کنش خواهند داشت. آن چه برندگان نوبل شیمی 2013 انجام داده‌اند، آن بود که دریچه‌ای را میان هر دو دنیای فیزیک کلاسیک و کوانتوم گشودند. در مدل کامپیوتری آن‌ها، نیوتن و سیبش، با شرودینگر و گربه‌اش همکاری می‌کنند!

شکل 2: نیوتن و گربه‌ی شرودینگر در گذشته! فیزیک کلاسیک و شیمی کوانتوم به دنیاهایی متفاوت متعلق بودند. برندگان نوبل شیمی 2013 دریچه‌ای به روی این جهان‌ها گشودند و ارتباطی متقابل میان آن‌ها ایجاد کردند.

شیمی کوانتوم در ارتباط با فیزیک کلاسیک

اولین گام در ایجاد این ارتباط، در دانشگاه هاروارد واقع در کمبریج آمریکا، و در آزمایشگاه «مارتین کارپلاس» برداشته‌شد. او استاد کوانتوم بود. گروه او برنامه‌های کامپیوتری را چنان بهبود بخشیدند که می‌توانست با کمک فیزیک کوانتوم، شبیه‌سازی واکنش‌های شیمیایی را انجام دهد. او همچنین «معادله‌ی کارپلاس» را بهبود بخشید که در NMR کاربرد داشت. اواخر دوره‌ی دکترای آقای کارپلاس، آریه وارشل در دهه‌ی هفتاد به آزمایشگاه او آمد. با کمک کامپیوتر قدرتمند دانشگاه سابق آقای وارشل، او و مایکل لِویت برنامه‌ای کامپیوتری را بر اساس تئوری‌های کلاسیک نوشته‌بودند. برنامه قادر بود تا تمام انواع مولکول، حتی مولکول‌های زیستی بزرگ را مدل‌سازی نماید. زمانی که وارشل به آزمایشگاه کارپلاس آمد، برنامه‌اش را هم با خود آورده‌بود. او و کارپلاس، شروع به کار روی روش‌های محاسباتی متفاوت، روی الکترون‌های متفاوت نمودند. در بیشتر مولکول‌ها، الکترون‌ها در اتم‌ها تنها به دور یک هسته می‌چرخند، اما در برخی مواقع، الکترون‌ها می‌تواندد به‌طور نامحدودی در اطراف چندین هسته بچرخند. چنین «الکترون‌های آزاد»ی برای مثال در رتینال قابل یافت است، مولکولی که در رتینای چشم جای دارد. وقتی نور بر رتینا می‌تابد، الکترون‌های آزاد که مملو از انرژی هستند، در ابعاد مولکول تفییر ایجاد می‌کنند. این اولین گام، در بینایی آدمی است.

کارپلاس و وارشل، مدلی برای رتینال ارائه دادند. البته کار را با مولکول‌هایی مشابه و ساختاری ساده‌تر آغاز نمودند. آن‌ها برنامه‌ای بر اساس فیزیک کوانتوم برای محاسبه‌ی الکترون‌های آزاد و دیگر الکترون‌های تمام هسته‌های اتم‌ها ارائه دادند. وقتی در سال 1972 برای نخستین‌بار، یافته‌هایشان را مرتبط کردند، اولین باری بود که کسانی موفق به ایجاد ارتباطی مؤثر میان فیزیک کلاسیک و کوانتوم شده‌بودند. تنها یک ایرادر در برنامه‌ی آن‌ها وجود داشت، این برنامه تنها می‌توانست مول‌سازی مولکول‌هایی با تقارن آینه‌ای را پشتیبانی نماید.

برنامه‌ای جهانی برای محاسبه‌ی در شیمی زندگی

وارشل پس از دو سال کار در هاروارد، مجدداً به همکاری با لِویت پرداخت. لویت دکترای خود را در دانشگاه کمبریج بریتانیا به پایان رسانده‌بود و این زمانی بود که دنیای علم نظر خود را بر مطالعه روی DNA و RNA معطوف ساخته‌بود. او از برنامه ی کامپیوتری قدیمی خود استفاده کرد تا تصوری بر ساختار این مولکول‌های زیستی بیابد. اما مشکل قدیمی به‌قوّت خود باقی بود، برنامه مولکول‌ها را در حالت استراحت پشتیبانی می‌کرد. وارشل و لویت به دنبال گامی بلندتر بودند. آن‌ها می‌خواستند برنامه را برای مطالعه‌ی آنزیم‌ها و پروتئین‌هایی که در محیط زنده رشد می‌کنند، توسعه دهند. برای درکی از حیات، باید آنزیم‌ها را شناخت! برای آن‌که بتوان شبیه‌سازی‌ای از واکنش آنزیم ارائه داد، وارشل و لویت نیاز به همراهی بیشتر نتایج فیزیک کوانتوم و کلاسیک با یک‌دیگر داشتند. برای آن‌که به تمام مشکلات غلبه کنند، سال ها برای این کار وقت گذاشتند. بالاخره در سال 1976، اولین نتایج مدل کامپیوتری خود را برای واکنش یک آنزیم منتشر نمودند. برنامه‌ی آن‌ها از آ‌ن‌جا انقلابی بود که می‌توانست برای هر مولکولی به کار آید. دیگر انازه‌ی مولکول‌ها، مشکلی در محاسبات ایجاد نمی‌کرد.

تمرکز روی قلب واکنش

محاسبات کوانتومی می‌تواند روی بسیاری از هسته‌ها و الکترون‌هایی که مستقیماً درگیر انجام واکنش هستند، تمرکز نماید. الکترون‌ها و هسته‌های دیگر قسمت‌های مولکول که درگیر واکنش نیستند، می‌توانند به‌شیوه‌ی کلاسیک مورد محاسبه قرار گیرند. لویت و وارشل تصمیم گرفتند بهینه‌تر با کامپیوتر کار کنند. نیازی نیست که محاسبات کامپیوتری با بخش‌های در حال استراحت مولکول درگیر گردد. آن ها نشان دادند که می توان چندین اتم را در حین محاسبات، ادغام نمود.

در محاسبات جدید، دانشمندان لایه‌ی سومی را به محاسبات افزودند، که حالت دی‌الکتریک است که نقاطی دور از پروسه و بسته‌های اتم و مولکول در یک جرم هوموژن یگانه می‌شود.

شبیه‌سازی‌ها به ما یاری می‌دهد تا برای گام‌های بعدی، تصمیم‌گیری کنیم

روشی که کارپلاس، وارشل و لویت پایه گذاری کردند جهانی شد. روش‌های آن‌ها می‌تواند باعث بهبود سلول‌های خورشیدی، کاتالیست‌ها و حتی داروها گردد. لویت، نوشته ای دارد در ایده‌ی باب شبیه سازی کردن یک اورگانیسم زنده در سطح مولکولی. این، البته فکری وسوسه انگیز است. برنامه‌ای که برندگان شیمی سال 2013 طراحی کردند، ابزار قدرتمند است که باید دید در آینده، تا چه حد کارآیی خود را حفظ خواهد کرد.

---

  این نوشته‌ها را هم بخوانید