Жизнь замечательных устройств

Химические реакции протекают с огромной скоростью — электроны перемещаются между ядрами атомов, и это движение недоступно простому наблюдению ученых. Благодаря работам лауреатов Нобелевской Премии по химии 2013 года стало возможным найти тайные пути электронов в веществе, призвав на помощь компьютеры. Точная информация о протекании химических процессов помогает оптимизировать строение катализаторов, лекарств и других функциональных материалов.

Нобелевскую Премию 2013 года по химии получили Мартин Карплюс, работающий одновременно в Страсбургском и Гарвардском Университетах, Майкл Левит из Университета Стенфорда и Ари Воршелл из Университета Южной Калифорнии «…за разработку многомасштабных моделей сложных химических систем…».

В настоящее время химики всего мира используют компьютерные технологии для подготовки и проведения экспериментов чуть ли не ежедневно. Во многом это происходит благодаря тем методам, которые были заложены этими лауреатами еще в 1970-е года. Именно работы Карплюса, Левитта и Воршелла позволили нам понимать суть процессов, которые мы не можем наблюдать ни невооруженным глазом, ни с помощью «медленных» методов анализа веществ и реакций.

Суть работ Нобелевских лауреатов по химии 2013 года состоит в том, что они смогли упрячь в одну телегу классическую ньютоновскую физику и квантовую механику. Сила классической физики придала моделям лауреатов относительную простоту и экспрессность, позволяющую анализировать сложные химические системы, но физика Ньютона первоначально не могла помочь в анализе динамики химических процессов — собственно теоретическом изучении реакций. Для этого используются закономерности квантовой физики, однако до работ Карплюса, Левитта и Воршолла расчеты, основанные только на квантовых моделях, требовали огромных затрат вычислительных мощностей и могли использоваться только для молекул небольшого размера.

Красота подхода Нобелевских лауреатов этого года в том, что им удалось взять все лучшее от обоих физик и разработать комбинаторные методы, в которых используется и классическая физика, и квантовая механика. Например, для моделирования взаимодействия лекарство-белок компьютер использует квантовые подходы только для тех атомов белка-мишени, которые непосредственно взаимодействуют с лекарством, а остальная (большая по размеру) часть белка обсчитывается исходя из методов классической физики.

Таким образом, решение Нобелевского комитета обусловлено тем, что для современного химика компьютер является таким же обязательным и важным инструментом, как пробирки и колбы, компьютерное моделирование стало настолько точным, что хорошо предсказывает исход настоящих экспериментов, а сделано это было благодаря работам Карплюса, Левитта и Воршелла.

2014. Наноскоп Бетцига, Хелля и Мернера

В 2014 году Нобелевская Премия по химии была присуждена Эрику Бетцигу, Штефану Хеллю и Уильяму Мернеру «…за разработку метода флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения…».

В течение длительного времени возможности оптической микроскопии были ограничены одним, казалось бы, непреодолимым барьером — невозможно получить изображение с разрешением выше, чем половина длины волны света. Использование молекул, способных к флуоресценции, позволило нобелиатам-химикам 2014 года преодолеть этот барьер, и их работы, которые можно считать прорывом, открыли эру применения оптической микроскопии.

Благодаря модификации метода оптической микроскопии, получившего название «наноскопия» (nanoscopy), стало возможным отслеживать пути отдельных молекул непосредственно в живых клетках. Теперь можно наблюдать, как молекулы формируют синаптические окончания между нервными клетками мозга, или увидеть, как агрегируют белки, ответственные за такие нейродегенеративные заболевания, как болезни Паркинсона, Альцгеймера и Хаттингтона, можно шпионить за отдельными белками в оплодотворенных клетках, подвергающихся делению.

До определенного времени не было очевидным то, что когда-либо ученым удастся изучить живые клетки в мельчайших молекулярных деталях. В 1873 году специалист по микроскопии Эрнст Аббе постулировал, что разрешение, которое может быть достигнуто с помощью традиционной оптической микроскопии, не может быть меньше, чем 0,2 мкм, однако Бетциг, Хелль и Мернер смогли преодолеть эту планку.