Вычислительная химия
Мартин Карплус, любитель птиц, в душе - биолог, вроде бы не самый очевидный кандидат в отцы вычислительной химии. Однако он считал, что теоретическая химия может указать путь к пониманию жизни в целом, и так оно и оказалось; Карплусу нужно было лишь дождаться, когда древние пятитонные компьютеры эволюционируют до современных.
Мартин Карплус, отец вычислительной химии, — австрийский еврей, чья семья уехала из Австрии в США в 1938 году, сразу после аншлюса страны нацистами. В американской школе в Карплусе распознали талант. Вне школы он активно увлекался наукой, а попутно в нем росла страсть к природе. Он сделался юным птицелюбом и записывал места гнездования для ежегодного исследования миграции птиц, проводимого Одюбоновским обществом. В 14 лет его чуть не арестовали по подозрению, что он немецкий шпион и подает сигналы подводным лодкам: Карплус прогуливался в грозу с биноклем — высматривал малых гагарок.
Перед поступлением в колледж Карплус принял приглашение поучаствовать в исследовании навигации у птиц на Аляске и убедился, что карьера ученого — это по нему. И все же записался не в биологи, а на программу по химии и физике в Гарварде, сочтя, что эти предметы потребуются ему для понимания биологии и жизни в целом. В аспирантуре в Калтехе он взялся за исследование белков, однако наставник Карплуса бросил, и им занялся Лайнус Полинг, будущий нобелевский лауреат по химии (за работы в изучении химической связи). Карплус исследовал водородные связи и, когда Полинг внезапно объявил, что собирается в долгосрочную поездку, вынужден был писать диссертацию за три недели.
Поработав некоторое время в группе теоретической химии в Оксфордском университете, Карплус пять лет служил в университете Иллинойса — занимался ядерным магнитным резонансом. Этим методом он изучал углы между связями атомов водорода в молекуле этанола (СН3СН2ОН); тогда-то он и понял, что производить все вычисления на калькуляторе — штука страшно занудная, и написал компьютерную программу, чтоб считала за него сама.
Пятитонный компьютер
В те времена — в 1958 году — университет Иллинойса был гордым обладателем пятитонного цифрового компьютера по имени ИЛЛИАК, у которого было целых 64 КБ памяти, которых недостаточно даже для одного фотоснимка, сделанного вашим мобильным телефоном, но сгодилось для Карплусовой программы, а программирование осуществлялось при помощи перфокарт. Вскоре после завершения расчетов Карплус посетил лекцию одного химика-органика из того же университета, и оказалось, что полученные расчетные данные вроде бы согласуются с экспериментом.
«Химики-теоретики склонны вольно употреблять понятие «предсказание» и описывать им любые расчеты, согласующиеся с экспериментом, даже если эксперимент случился до расчетов» Мартин Карплус (р. 1930)
Убедившись, что расчеты могут быть полезны при определении химических структур, Карплус опубликовал статью, включив в нее математическое выражение, позднее ставшее известным как уравнение Карплуса. Это уравнение помогает химикам расшифровывать результатов ЯМР- спектроскопии и определять устройство органических молекул. Исходную формулировку уравнения позднее уточнили и доработали, но его по-прежнему применяют в ЯМР-спектроскопии. Лекция, на которой побывал Карплус, была по сахарам, однако его уравнение применимо и к другим органическим молекулам, включая белки, а также к неорганическим веществам.
В 1960 году Карплус перебрался в Уотсоновскую научную лабораторию, которую финансировала IBM и снабдила ее своими компьютерами, более быстродействующими и с большим объемом памяти, чем ИЛЛИАК. Быстро поняв, что карьера технолога не для него, Карплус вернулся в научную среду, но обзавелся кое-чем полезным для своей исследовательской работы: доступом к IBM-650. Он продолжил решать задачи, которые увлекли его еще в Иллинойсе, но теперь у него были инструменты, чтобы взяться за дело всерьез, и компьютер помог ему заняться исследованием реакций на молекулярном уровне.
Назад к природе
Позднее Карплус вернулся в Гарвард, к своей первой любви—биологии. Он применил накопленный опыт теоретической химии к выяснению устройства зрения у животных. Карплус с коллегами предположил, что одна из углерод-углеродных связей в ретинале — форме витамина А, которая улавливает свет, попадающий в глаз, — перекручивается под действием света, и что это движение для зрения — ключевое. Теоретические расчеты предсказали изменение в структуре молекулы, которое происходит из-за такого скручивания. В тот же год расчеты подтвердились экспериментально.
Теоретические результаты вычислительной химии частенько получают параллельно эмпирическим свидетельствам. Теория подкрепляет наблюдения, а наблюдения, в свою очередь, поддерживают теорию. Такие совместные результаты получаются гораздо более достоверными. После того как Макс Перуц установил кристаллическую структуру гемоглобина — переносящую кислород молекулу в составе крови, — Карплус создал теоретическую модель и с ее помощью объяснил, как кровь связывает кислород.
Динамическая область
Карплус далее взялся изучать, как белковые цепочки складываются и образуют рабочие молекулы, и со своим учеником Брюсом Гелином он разработал программу, помогающую обсчитывать белковые структуры по их аминокислотным последовательностям и результатам рентгеноструктурного анализа. Результат их работы, «Программа CHARMM» («Химия Гарвардской макромолекулярной механики»), по-прежнему значим в этой сфере исследования.
Моделирование в современной химии почти так же важно, как в экономике. Химики разрабатывают компьютерные модели, способные воссоздавать на атомном уровне реакции и процессы вроде свертывания белковых цепочек. Эти модели применимы к процессам, которые почти невозможно увидеть в действии, поскольку происходят они за доли секунды.
Компьютеры и разработка лекарств
Чтобы выяснить, работает ли новое лекарство как должно, его необходимо опробовать. Однако проверить действие сотен и тысяч потенциальных новых препаратов на живых клетках, животных или людях невозможно: ресурсы сил и средств ограничены. И вот тут-то пригождается вычислительная химия. Молекулярное моделирование позволяет разобраться, как молекулы лекарства могут взаимодействовать с теми молекулами в организме, на которые лекарство нацелено, и так понять, какой из составов препарата лучше прочих управляется с болезнью. Такие теоретические расчеты можно считать экспериментами in silico - в кремнии, то есть в компьютере. Конечно, есть такие задачи при разработке лекарств, с которыми моделированием не обойдешься, но именно поэтому хорош метод сочетания вычислительной (теоретической) и экспериментальной химии.
Союз биологии, химии... и физики
Мартину Карплусу пришлось учить не только химию, чтобы объяснить биологию, но и соединить знание химии и физики. Нобелевская премия по химии, которую Карплус и его коллеги получили в 2013 году, досталась им за применение и классической, и квантовой физики при разработке мощных моделей, которые позволяют химикам обсчитывать структуры крупных биологических молекул.