Nobelprisen i kjemi: Store molekyler i bevegelse

Nobelprisen i kjemi for 2013 gikk til Martin Karplus, Michael Levitt and Arieh Warshel "for the development of multiscale models for complex chemical systems".

Dagens kjemikere eksperimenterer like mye på sine datamaskiner som de gjør i sine laboratorier. Ill: Nobeprize.org

Tradisjonelt har kjemikere vært opptatt av å bestemme molekylers struktur, altså hvordan atomene i et molekyl er plassert i forhold til hverandre i rommet. Det er enda mer interessant å vite hvordan atomene beveger seg over lengre tidsrom, og hvordan strukturene dermed endrer seg, altså molekylenes dynamikk. Dette er særlig aktuelt når vi ønsker å beskrive forløpet av kjemiske reaksjoner, enten disse skjer i et reagensrør eller en levende organisme. Vi kan illustrere dette poenget med forskjellen mellom å se på et enkelt fotografi (struktur) og det å se en hel film av et hendelsesforløp (dynamikk).

 

Martin Karplus, Michael Levitt and Arieh Warshel

Biologiske molekyler

Biologiske molekyler, som proteiner og DNA, består av tusenvis av atomer. Slike store molekyler finnes i alle organismer der de utfører det utall av funksjoner som livet er avhengig av. En forutsetning for å beskrive atomenes bevegelser i disse molekylene over tid, er at vi kjenner de kreftene som virker mellom atomene. Vi kjemikere har gode modeller som beskriver disse kreftene, men jo mer nøyaktige modellene er, jo mer omfattende blir modellen. Dessuten er det et formidabelt problem at antallet slike vekselvirkninger øker eksponensielt med antall atomer. Det er dermed helt nødvendig å forenkle modellene mest mulig uten at det går på bekostning av realismen.

Årets nobelpris

Årets nobelpris i kjemi blir tildelt Martin Karplus, Michael Levitt og Arieh Warshel for deres viktige bidrag til å utvikle modeller for å simulere dynamikken i store biologiske molekyler. De har utviklet effektive datamaskinprogrammer og benyttet disse til å simulere viktige kjemiske prosesser i molekylene, som for eksempel synsfunksjonen i øyet. Deres strategi bygger på det faktum at de fleste bindingene mellom atomene i et biologisk molekyl er bestandige over tid. La oss ta et eksempel. I et enzymmolekyl skjer det kun kjemiske forandringer i et lite område (det aktive setet) der noen få bindinger brytes samtidig som det dannes noen nye. For å beskrive dette hendelsesforløpet kan man derfor nøye seg med en forholdsvis enkel matematisk beskrivelse av de kreftene som virker mellom atomene som ikke berøres, mens kreftene mellom atomene i det aktive setet må behandles på en langt mer omfattende måte, det vil si ved hjelp av kvantemekanikken. På denne måten oppnådde nobelprisvinnerne å få i både i pose og sekk. De klarte å gjennomføre simulering av bevegelsene av alle atomene i et stort molekyl over et lengre tidsrom og samtidig gi en vireklighetsnær beskrivelse av den kjemiske endringen som skjedde.

Tilgang til kraftige datamaskiner

En viktig forutsetning for å løse de komplekse matematiske ligningene det her er snakk om, er selvfølgelig tilgangen til kraftige datamaskiner. Men like viktig er det å finne lure og effektive måter å programmere datamaskinen, slik at man får utnyttet dens fulle kapasitet. Og ikke minst er det viktig å ha god innsikt i kjemiske og biologiske forhold, for dermed å vite hvilke forenklinger det er forsvarlig å gjøre.

Legemidler

Årets nobelpris i kjemi åpner for en rekke interessante perspektiver, ikke minst innen medisinen. Ved Alzheimers sykdom skjer det endringer i strukturen til visse proteiner i hjernecellene slik at disse filtrer seg inn i hverandre og danner plakk. Derved mister de sin funksjon. Ved å simulere disse endringene ved hjelp av datamaskinsmodeller, vil vi få innsikt i disse prosessene som det ikke er enkelt å skaffe seg på annet vis. På samme måte er det mulig å studere hvordan et legemiddelmolekyl omdannes i kroppens celler. Det gir enestående muligheter til å utvikle bedre legemidler med færre bivirkninger.

Av Einar Uggerud
Publisert 9. okt. 2013 14:08 - Sist endret 15. okt. 2013 12:00