Вісник НАН України. 2014. №2. С. 22-31.
https://doi.org/10.15407/visn2014.02.022

КУЗЬМІН Віктор Євгенович –
доктор хімічних наук, професор, завідувач відділу молекулярної структури і хемоінформатики
Фізико-хімічного інституту ім. О.В. Богатського НАН України 

КОМП’ЮТЕР – ВАШ ВЕРГІЛІЙ У СВІТІ АТОМІВ

Упродовж останніх десятиліть склалася така тенденція, що на тернистому шляху до Нобелівської премії хімію зазвичай супроводжує біологія. Однак минулого року до них приєдналася ще й комп’ютерна технологія. Нобелівську премію 2013 р. в галузі хімії було присуджено Мартіну Карплусу (Martin Karplus), Майклу Левітту (Michael Levitt) і Арі Варшелю (Arieh Warshel) за «розроблення мультимасштабних моделей складних хімічних систем».
Ключові слова: Нобелівська премія, молекулярна динаміка біомолекул, комп’ютерні моделі, квантова хімія, молекулярна механіка, QSAR.

Зазвичай коли мова заходить про використання моделей у хімії, то насамперед згадують кулестрижневі моделі молекул або моделі установок хімічних виробництв. Тоді як процес моделювання є одним із основних методів пізнання в хімії, основою структурного підходу до вивчення речовин [1]. Моделювання властивостей і реакційної здатності хімічних сполук – складова частина загальної стратегії досліджень, і його роль дедалі більше зростає. Основні причини визначаються успіхами розвитку теоретичних уявлень про будову і функціонування молекул та фантастичними досягненнями інформаційних і комп’ютерних технологій.

Моделювання (лат. modus – міра, образ, спосіб) здавна застосовували у науковому пізнанні. Наприклад, виникнення уявлень Демокріта і Епікура про атоми, їхню форму і способи з’єднання, про атомні вихори і зливи, пояснення фізичних властивостей різних речовин за допомогою уявлення про круглі, гладкі або гачкуваті частинки, зчеплені між собою. Ці уявлення є прообразами сучасних моделей, що відображують ядерно-електронну будову атома. У науці Нового часу спочатку застосовували різні механічні моделі. Поступово метод моделювання став набувати дедалі більшого поширення, проникаючи в усі галузі наукового знання. XX століття надало методу моделювання нового імпульсу, що пов’язано з розквітом кібернетики [2]. На думку більшості видатних хіміків, зокрема лауреата Нобелівської премії з хімії 1951 р. Гленна Сіборга (Glenn Theodore Seaborg), теоретичне моделювання є основним методом пізнання в хімії, оскільки сутність хімічних явищ прихована від безпосереднього спостереження дослідника, тому пізнання здійснюють через побудову моделі невидимого об’єкта за непрямими даними. Роль молекулярного моделювання як для фундаментальних, так і для прикладних досліджень у галузі молекулярної біології та біохімії неухильно зростає. Це пов’язано і з удосконаленням математичного апарату, і зі зростанням продуктивності обчислювальної техніки, і з накопиченням величезної кількості фактичного матеріалу, що потребує аналізу.

Використовуючи наявні дані про властивості макромолекул, за допомогою комп’ютерів можна моделювати їхню структуру. Це дає чітке уявлення про геометрію не лише всієї молекули, а й її активних центрів, що взаємодіють з лігандами. Досліджуються особливості топографії поверхні субстрату, характер його структурних елементів і можливі види міжатомної взаємодії з ендогенними речовинами або ксенобіотиками. З іншого боку, комп’ютерне моделювання молекул, використання графічних систем і відповідних статистичних методів дає змогу скласти досить повне уявлення про тривимірну структуру фармакологічних речовин і розподіли їхніх електронних полів. Така сумарна інформація про фізіологічно активні речовини і субстрат має сприяти ефективному конструюванню потенційних лігандів з високими комплементарністю та афінітетом. Раніше про такі можливості можна було лише мріяти, а нині вони вже стають реальністю. Важлива пізнавальна функція моделювання полягає в тому, щоб слугувати імпульсом, джерелом нових теорій [3]. Нерідко буває так, що теорія спочатку виникає у вигляді моделі, що дає наближене, спрощене пояснення певного явища, виступає як первинна робоча гіпотеза, яка згодом може перерости в «передтеорію» – попередницю розвиненого вчення. При цьому в процесі моделювання виникають нові ідеї і форми експерименту, відкриваються раніше невідомі факти. Таке «переплетення» теоретичного й експериментального моделювання особливо характерне для розвитку фізичних теорій (наприклад, молекулярно-кінетичної або теорії ядерних сил). Моделювання – це не лише один із засобів відображення явищ і процесів реального світу, а й об’єктивний практичний критерій перевірки істинності наших знань, яка здійснюється безпосередньо або за допомогою встановлення їхніх зв’язків з іншою теорією як моделлю, адекватність якої вважають практично обґрунтованою. В органічному поєднанні з іншими методами пізнання моделювання виступає як процес поглиблення пізнання, його руху від відносно бідних на інформацію моделей до моделей змістовніших, які повніше розкривають сутність досліджуваних явищ реальності.

Основні досягнення нинішніх нобелівських лауреатів ґрунтуються на двох «китах» – це квантова хімія і молекулярна механіка. За розроблення квантово-хімічних методів Вальтера Кона (Walter Kohn) і Джона Попла (John Anthony Pople) було удостоєно Нобелівської премії з хімії в 1998 р. Квантову механіку, на яку спирається квантова хімія, розробили за 75 років до того, і вона принесла п’ять Нобелівських нагород у період з 1918 по 1933 р. Лауреатами були: Макс Планк (1918), Нільс Бор (1922), Луї де Бройль (1929), Вернер Гейзенберг (1932) і Ервін Шредінгер разом із Полем Діраком (1933). Молекулярна механіка має не менш славну передісторію. Насамперед було розроблено концепцію потенціалів міжмолекулярної взаємодії. Це відбулося ще в докомп’ютерну еру, в 1946 р. [4, 5], і за основу було взято потенціал Кулона (електростатичний потенціал) та потенціал Ван дер Ваальса (Нобелівська премія з фізики в 1910 р.). Поява комп’ютерів надала нового поштовху роботам у цій галузі. Норман Еллінджер (Norman Allinger) створив програму для оптимізації структури молекул з використанням потенціалів міжмолекулярної взаємодії. З того часу цей підхід почали називати молекулярною механікою [6] і застосовувати для вивчення систем органічних молекул.

Паралельним шляхом пішли Джордж Немет (George Nemethy) і Гарольд Шерага (Harold A. Scheraga) [7]. Вони розробили спрощену версію потенціалів взаємодії і застосували їх для оптимізації структури білків. Перевагою методів, що використовують класичні потенціали, є відносна легкість розрахунку енергії та можливість вивчення великих систем. Однак такі методи не можна застосовувати для вивчення хімічних реакцій, у яких відбувається утворення нових молекул. Квантово-хімічні методи, навпаки, добре пристосовані для моделювання хімічних реакцій, тобто процесів руйнування одних молекул і утворення інших, але ці методи є дуже ресурсомісткими і придатні для вивчення лише відносно невеликих систем .

Ще одне ключове питання, яке потребувало вирішення, – це опис і аналіз конформацій біомакромолекул. Тут знову є два шляхи: перший, використаний Норманом Еллінджером у його молекулярно-механічних методах, ґрунтувався на мінімізації енергії системи й визначенні однієї глобальної конформації; другий, запропонований Джорджем Неметом і Гарольдом Шерагою, полягав у використанні методів статистичної механіки, таких як молекулярна динаміка чи метод Монте-Карло [8], для формування множини конформацій з відповідними статистичними вагами. Повний текст

Additional uncaught exception thrown while handling exception.

Original

PDOException: SQLSTATE[HY000]: General error: 2006 MySQL server has gone away: SELECT expire, value FROM {semaphore} WHERE name = :name; Array ( [:name] => cron ) in lock_may_be_available() (line 167 of /home/visnyk-nanu/www/includes/lock.inc).

Additional

PDOException: SQLSTATE[HY000]: General error: 2006 MySQL server has gone away: SELECT s.lid, t.translation, s.version FROM {locales_source} s LEFT JOIN {locales_target} t ON s.lid = t.lid AND t.language = :language WHERE s.source = :source AND s.context = :context AND s.textgroup = 'default'; Array ( [:language] => uk [:source] => %type: !message in %function (line %line of %file). [:context] => ) in locale() (line 720 of /home/visnyk-nanu/www/modules/locale/locale.module).


Uncaught exception thrown in shutdown function.

PDOException: SQLSTATE[HY000]: General error: 2006 MySQL server has gone away: DELETE FROM {semaphore} WHERE (value = :db_condition_placeholder_0) ; Array ( [:db_condition_placeholder_0] => 187119690759ea4fdd6800b6.57734195 ) in lock_release_all() (line 269 of /home/visnyk-nanu/www/includes/lock.inc).