Эксперт № 41 (2013)

Трем лауреатам удалось разработать эффективные вычислительные методики и конкретные прикладные программы, которые позволили объединить «в одном флаконе» классическую ньютоновскую физику и алгоритмы квантовой физики XX века для максимально достоверного описания реальных химических процессов. Химические модели, базирующиеся на классической физике, перевести на «компьютерный» язык достаточно легко: классические ньютоновские законы движения вполне корректно описывают поведение больших молекул и атомов при отсутствии каких-либо тесных контактов с другими молекулами и атомами. И все было бы хорошо, если бы не одно большое «но»: компьютерные симуляции, основывающиеся лишь на таких прямолинейных механических законах, не позволяют учесть упомянутую выше сложную специфику реальных химических реакций, которые настоятельно требуют включения в рассмотрение законов квантовой механики.

В свою очередь, полное переключение на использование в компьютерном моделировании законов «более продвинутой» квантовой механики чревато очень быстрым истощением имеющихся в распоряжении исследователей вычислительных мощностей, причем эта проблема, как ни прискорбно, до сих пор накладывает серьезные ограничения на работу даже самых быстрых компьютеров XXI века. Не нужно никаких дополнительных комментариев для того, чтобы оценить, насколько более жесткими эти ограничения представлялись на заре компьютерного моделирования в конце 1960-х — начале 1970-х годов, когда, собственно, и начались активные поиски возможных путей обхода этой вроде бы тупиковой ситуации.

...Майклу Левитту...

Фото: AP

Как же удалось решить эту нетривиальную задачу Карплюсу, Левитту и Варшелю? Поначалу они подступали к ней с противоположных исходных позиций. В конце 1960-х Карплюс и его коллеги по Гарвардскому университету пытались придумать методики, позволяющие как-то улучшить эффективность компьютерного моделирования, основанного на использовании более современных квантово-механических описаний. А совместно работавшие в израильском Институте имени Вейцмана Варшель и Левитт пробовали «усовершенствовать» классические законы ньютоновской механики для моделирования поведения крупных биологических молекул.

Реальный прорыв наступил в 1970 году, когда Варшель оказался в Гарварде и на время присоединился к работе группы Карплюса, что позволило ученым наконец заняться комбинированием двух базовых методик.

Уже через два года Карплюс и Варшель опубликовали работу, в которой были продемонстрированы первые реальные плоды этого «скрещивания Ньютона со Шредингером». Разработанная ими первая компьютерная программа смогла достаточно убедительно описать квантовое поведение свободных электронов, принимавших непосредственное участие в химических реакциях, сохранив при этом математический аппарат классической физики для описания процессов, происходящих с прочими, относительно более пассивными электронами и атомами в исследованной молекуле.

...и Арье Варшелю

Фото: AP

Вскоре Арье Варшель возобновил свое сотрудничество с Майклом Левиттом, защитившим к тому времени докторскую диссертацию в Кембриджском университете, и тандем Левитт—Варшель сначала создал в 1975 году первую компьютерную модель, достоверно описывающую механизм укладки белков, а уже в следующем, 1976 году произвел на свет революционную программу, позволяющую искусственно воспроизвести процесс, катализирующий гидролиз мукополисахаридов, инициируемый особым ферментом лизоцимом — белком, контролирующим протекание химических реакций внутри живых организмов.

В свою очередь Мартин Карплюс, уже независимо от двух других нобелевских лауреатов, сумел разработать специализированную программу CHARMM (Chemistry at Harvard Molecular Mechanics), которая впоследствии стала одним из компьютерных хитов, используемых практикующими химиками для моделирования.

Резюмируя работу, проделанную Карплюсом, Левиттом и Варшелем в 1970-е годы, можно констатировать, что именно благодаря их усилиям исследователи наконец получили реально работающие компьютерные модели, позволяющие достоверно предсказывать сложнейшие процессы, происходящие в ходе комплексных химических реакций и, в частности, использовать эти модели для априорного конструирования новых пространственных форм молекул и разработки не встречающихся в живой природе сложных соединений.