نقل التجارب إلى الفضاء المحوسب – شرح شعبي لعلم الحائزين على جائزة نوبل في الكيمياء 2013

يخطط الكيميائيون في جميع أنحاء العالم ويجرون التجارب بمساعدة أجهزة الكمبيوتر الخاصة بهم كل يوم. بفضل مساعدة الأساليب التي تم تطويرها في السبعينيات من قبل الباحثين الثلاثة الحائزين على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2013، مارتن كاربيلوس، ومايكل ليفيت، وآري فيرشل، تمكنوا من فحص كل خطوة في العمليات الكيميائية المعقدة المخفية عن الأنظار.

تحدث التفاعلات الكيميائية بسرعة الضوء؛ تتنقل الإلكترونات بين نوى الذرات، مختبئة بعيدًا عن أعين العلماء المنتظرة والمشتاقة. مكّن الفائزون بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2013 من رسم خريطة للطرق الغامضة في الكيمياء بمساعدة أجهزة الكمبيوتر. تتيح المعرفة التفصيلية للعمليات الكيميائية تحسين وتحسين المحفزات الكيميائية والأدوية والخلايا الشمسية.

يخطط الكيميائيون في جميع أنحاء العالم ويجرون التجارب بمساعدة أجهزة الكمبيوتر الخاصة بهم كل يوم. وبفضل مساعدة الأساليب التي تم تطويرها في السبعينيات من قبل الباحثين الثلاثة مارتن كاربيلوس ومايكل ليفيت وآري وارشيل، نجحوا في فحص كل خطوة في العمليات الكيميائية المعقدة المخفية عن العين المجردة.

ولكي تفهم أيها القارئ كيف يمكن للبشرية أن تستفيد من إنجاز العلماء الثلاثة الفائزين، يجب أن نبدأ بمثال. ارتدِ معطف المختبر الخاص بك، لأن لدينا تحديًا بالنسبة لك: إنشاء نظام التمثيل الضوئي الاصطناعي. التفاعل الكيميائي الذي يحدث في الأوراق الخضراء يملأ الغلاف الجوي بالأكسجين وهو أحد متطلبات الحياة على الأرض. ومع ذلك، فإن رد الفعل مثير للاهتمام أيضًا من وجهة نظر بيئية. إذا نجحت في تقليد آلية التمثيل الضوئي فسوف تتمكن من تطوير خلايا شمسية أكثر كفاءة. عندما ينقسم جزيء الماء، يتم إنشاء الأكسجين، ولكن في الوقت نفسه، يتم إنشاء الهيدروجين أيضًا والذي يمكن استخدامه لتشغيل المركبات. لذلك هناك سبب وجيه للغاية لبدء مثل هذا المشروع. فإذا نجحت في ذلك، ستتمكن فعلياً من المساهمة في حل مشكلة ظاهرة الاحتباس الحراري.

المزيد عن نفس الموضوع على موقع العلوم:

• يرتبط عمل الفائزين بجائزة نوبل في الكيمياء، ومن بينهم البروفيسور أرييه وارشيل، ارتباطًا وثيقًا بمعهد وايزمان
• فاز البروفيسور أرييه وارشيل، خريج التخنيون ومعهد وايزمان والموجود حاليا في كاليفورنيا، والبروفيسور مايكل ليفيت، الباحث الزائر في المعهد، بجائزة نوبل في الكيمياء بالاشتراك مع مارتن كاربيلوس

الصورة تقول أكثر من ألف كلمة - ولكن ليس كل شيء

كخطوة أولى في هذا المشروع، من المحتمل أن تلجأ إلى الإنترنت وتبحث عن صورة ثلاثية الأبعاد للبروتينات المسؤولة عن آلية التمثيل الضوئي. هذه الصور متاحة مجانًا في قواعد بيانات واسعة النطاق على الإنترنت. على جهاز الكمبيوتر الخاص بك، يمكنك تحريف الصورة وتدويرها بقدر ما تريد. وستكشف لك الصورة التفصيلية عن جزيئات بروتينية ضخمة تتكون من عشرات الآلاف من الذرات. في مكان ما في وسط الصورة ستجد المنطقة الصغيرة المعروفة باسم "مركز التفاعل". عند هذه النقطة، تخضع جزيئات الماء للانشطار. ومع ذلك، فإن عددًا صغيرًا فقط من الذرات يشارك بشكل مباشر في التفاعل. ومن بين التفاصيل الأخرى، ستتمكن من التعرف على أربعة أيونات منجنيز، وأيون كالسيوم واحد، وعدة ذرات أكسجين. وتظهر الصورة بوضوح مكان تواجد الذرات والأيونات المختلفة بالنسبة لبعضها البعض، لكن الصورة لن تخبرنا بشيء ونصف عن أدوار هذه المكونات. هذا هو السؤال الذي يجب عليك حله بطريقة بحثية. بطريقة ما، يجب أن تتحرك الإلكترونات من جزيء الماء وتتحد مع أربعة بروتونات لإنتاج جزيء الهيدروجين. كيف يحدث هذا بالضبط؟

يكاد يكون من المستحيل رسم تفاصيل هذه العملية المعقدة باستخدام طرق الكيمياء العادية. تحدث أحداث لا حصر لها في جزء من المللي ثانية، وهو مقياس زمني شائع في معظم أنواع التجارب التي تتم في المختبر. من خلال الصورة الموجودة على جهاز الكمبيوتر الخاص بك، من الصعب أيضًا أن تفهم بالضبط كيف تتم العملية، نظرًا لأن الصورة نفسها تم التقاطها عندما كانت البروتينات في حالة ثابتة وساكنة. ومع ذلك، عندما يضرب ضوء الشمس الأوراق الخضراء، تمتلئ البروتينات بالطاقة ويتغير التركيب الذري بأكمله. من أجل فهم التفاعل الكيميائي، عليك أن تعرف بالضبط كيف تبدو حالة الطاقة العالية هذه. عند هذه النقطة بالتحديد، يمكنك الاستعانة ببرامج الكمبيوتر التي وضع أساسها الحائزون على جائزة نوبل الثلاثة الباكون لعام 2013.

النظرية والتطبيق - آلية إخصاب متبادل ناجحة
باستخدام هذا النوع من البرامج، ستتمكن من حساب عدد من مسارات التفاعل المحتملة. وتسمى هذه العملية بالمحاكاة أو النمذجة. بهذه الطريقة، ستتمكن من الحصول على فكرة عن الأدوار المحددة التي تؤديها الذرات المختلفة في المراحل المختلفة للتفاعل الكيميائي. وعندما يكون لديك مسار التفاعل المحتمل المحوسب، فمن الأسهل إجراء تجارب عملية يمكن أن تؤكد أو تدحض نتائج الحساب. نتائج هذه التجارب العملية، بدورها، سوف تكون قادرة على تطوير أدلة جديدة من شأنها أن تؤدي إلى محاكاة أفضل - النظرية والممارسة تتعارضان وتعززان بعضهما البعض. ونتيجة لذلك، يقضي الكيميائيون اليوم وقتًا أطول بكثير أمام شاشات الكمبيوتر مقارنة بأنابيب الاختبار.

إذًا، ما الذي يميز برامج الكمبيوتر التي مُنحت عنها جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2013؟

الجمع بين أفضل ما في العالمين

في الماضي، عندما أراد الكيميائيون محاكاة الجزيئات على أجهزة الكمبيوتر، كانوا يستخدمون برامج تعتمد إما على قوانين الفيزياء النيوتونية أو على قوانين فيزياء الكم. كان لكل من هذه الأنواع من البرامج نقاط قوة ونقاط ضعف. يمكن للبرامج الكلاسيكية حساب ومعالجة الجزيئات الكيميائية الكبيرة. لم يتمكنوا من إظهار الجزيئات إلا في حالتها الثابتة والساكنة، لكنهم في الوقت نفسه زودوا الكيميائيين بتمثيل جيد جدًا لموقع الذرات المختلفة في الجزيئات. إلا أن هذه البرامج لم تسمح بمحاكاة التفاعلات الكيميائية. أثناء التفاعل، يتم شحن الجزيئات بالطاقة؛ يخضعون للإثارة النشطة. تفشل الفيزياء الكلاسيكية في التعامل مع مثل هذه المواقف، ومن هنا تكمن حدودها الرئيسية.

عندما أراد الكيميائيون محاكاة التفاعلات الكيميائية، كان عليهم أن يلجأوا إلى فيزياء الكم؛ تنص النظرية المزدوجة على أن الإلكترونات يمكن أن توجد في وقت واحد كجسيمات وموجات. تكمن قوة فيزياء الكم في كونها غير متحيزة وأن النموذج لا يعتمد على آراء العالم. ونتيجة لذلك، أصبحت عمليات المحاكاة الحاسوبية أكثر واقعية. العيب هو أن هذه الحسابات تتطلب استخدام قوة حاسوبية هائلة. مطلوب من الكمبيوتر معالجة حالة كل إلكترون وكل نواة موجودة في ذرات الجزيء. يمكن مقارنة هذا الموقف بعدد البكسلات في الصورة الرقمية. ستوفر لك كمية كبيرة من وحدات البكسل دقة عالية، ولكنها في الوقت نفسه ستتطلب منك استخدام موارد حاسوبية أكبر. وبالمثل، تسمح الحسابات المستندة إلى فيزياء الكم بالحصول على معلومات مفصلة عن العمليات الكيميائية، ولكنها تتطلب استخدام قوة حاسوبية كبيرة. في السبعينيات، كان هذا القيد يعني أن العلماء لم يتمكنوا من إجراء العمليات الحسابية إلا على الجزيئات الصغيرة. وفي هذه الحسابات، كان على العلماء أيضًا أن يتجاهلوا تفاعلات الجزيئات مع بيئتها، على الرغم من أن التفاعلات الكيميائية في الحياة الواقعية تحدث غالبًا في محلول من نوع ما. وبالتالي، إذا أراد العلماء أن تشمل حساباتهم أيضًا تأثيرات المذيبات على التفاعل، كان عليهم الانتظار لعقود من الزمن للحصول على النتائج.

وهكذا، كانت الكيمياء الكلاسيكية وكيمياء الكم مختلفتين بطبيعتهما، بل وكانتا متعارضتين في بعض النواحي. ومع ذلك، فإن الفائزين بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2013 تمكنوا من إنشاء جسر بين هذين العالمين للكيمياء. وفي نماذجهم الحاسوبية، تعاونت قوانين نيوتن وتفاحته مع شرودنغر وقطته.

تتعاون كيمياء الكم مع الكيمياء الكلاسيكية

تمت الخطوة الأولى نحو هذا التعاون في أوائل السبعينيات في مختبر مارتن كاربيلوس بجامعة هارفارد بالولايات المتحدة الأمريكية. لقد تم زرع كاربيلوس بقوة في عالم الكم. طورت مجموعته البحثية برامج كمبيوتر قادرة على محاكاة التفاعلات الكيميائية بمساعدة مبادئ كيمياء الكم. بالإضافة إلى ذلك، قام بتطوير "معادلة كيربيلوس" (من ويكيبيديا) المستخدمة في الرنين المغناطيسي النووي (NMR)؛ وهي طريقة معروفة بين الكيميائيين تعتمد على الخواص الكيميائية الكمومية للجزيئات. عند الانتهاء من بحث الدكتوراه في معهد وايزمان للعلوم في رحوفوت، إسرائيل، وصل أرييه وارشيل إلى مختبر كاربيلوس في عام 1970. كان لدى المعهد جهاز كمبيوتر قوي يسمى "جوليم" على اسم شخصية معروفة في الفولكلور اليهودي. باستخدام هذا الكمبيوتر، قام أرييه فارشيل ومايكل ليفيت بتطوير برنامج كمبيوتر متطور يعتمد على النظريات الكلاسيكية. وقد مكن البرنامج من نمذجة جميع أنواع الجزيئات، حتى الجزيئات البيولوجية الكبيرة.

عندما انضم أرييه وارشيل إلى مارتن كاربيلوس في جامعة هارفارد، أحضر معه برامج الكمبيوتر التي طورها في معهد وايزمان. ومن نقطة البداية هذه، قاموا بتطوير نوع جديد من البرامج التي تؤدي أنواعًا مختلفة من الحسابات على إلكترونات مختلفة. في معظم الجزيئات، يدور كل إلكترون حول نواة ذرية محددة. ومع ذلك، في بعض الجزيئات، يمكن لإلكترونات معينة أن تتحرك حول عدة نوى ذرية. يمكن العثور على هذا النوع من "الإلكترونات الحرة" على سبيل المثال في جزيء الشبكية، وهو جزيء مثبت في شبكية العين. لقد أبدى كاربيلوس منذ فترة طويلة اهتمامًا كبيرًا بالشبكية نظرًا لأن الخصائص الكيميائية الكمومية لهذا الجزيء تؤثر على الوظائف البيولوجية؛ عندما يضرب الضوء شبكية العين، تمتص الإلكترونات الحرة الموجودة في جزيء الشبكية طاقة إضافية تؤدي إلى تغيير في بنية الجزيء. هذه هي المرحلة الأولى من الرؤية البشرية.

وفي نهاية العديد من الجهود، نجح كاربيلوس وورشيل في نمذجة جزيء الشبكية. وفي الوقت نفسه، بدأوا أبحاثهم باستخدام جزيئات مماثلة ذات بنية أبسط. وقاموا بتطوير برنامج حاسوبي يعتمد على فيزياء الكم لحساب حالة الإلكترونات الحرة، مع تطبيق نظريات كلاسيكية أبسط لجميع الإلكترونات الأخرى وجميع نوى الذرات في الجزيء. وفي عام 1972 نشروا نتائج هذه الدراسة. وكانت هذه هي المرة الأولى التي يتمكن فيها أي باحث من تحقيق تعاون كيميائي بين الفيزياء الكلاسيكية وفيزياء الكم. على الرغم من أن البرنامج كان رائدًا، إلا أنه كان به أيضًا قيد واحد، وهو أنه لا يمكنه التعامل إلا مع الجزيئات ذات التماثل المرآة.

برنامج عالمي لحساب كيمياء الحياة

بعد عامين في جامعة هارفارد، اجتمع آري وارشيل مع مايكل ليفيت. كان ليفيت قد أكمل للتو بحث الدكتوراه في جامعة كامبريدج في بريطانيا العظمى، والتي كانت في ذلك الوقت رائدة عالميًا في دراسة الجزيئات البيولوجية مثل الحمض النووي والحمض النووي الريبوزي (RNA) والبروتينات. استخدم برنامج الكمبيوتر الكلاسيكي الخاص به للحصول على فهم أفضل لهياكل الجزيئات البيولوجية. ولا تزال هناك قيود، تتمثل أساسًا في إمكانية فحص الجزيئات في حالتها الهادئة.

كان ليفيت وورشل يطمحان إلى العظمة، فقد أرادا تطوير برمجيات يمكن استخدامها في دراسة الإنزيمات، وهي بروتينات تتحكم في التفاعلات الكيميائية في الكائنات الحية وتعززها. عندما كان طالبًا شابًا، أصبح فارشيل مهتمًا بنشاط الإنزيمات. إن التعاون والعلاقات المتبادلة بين الإنزيمات هي التي تمكن من وجود الحياة - فهي تتحكم عمليا في جميع التفاعلات الكيميائية في الجسم الحي. إذا أردت أن تفهم الحياة، عليك أن تفهم نشاط الإنزيمات.

لكي تكون محاكاة التفاعلات الأنزيمية ممكنة، كان مطلوبًا من ليفيت وورشيل جعل التعاون بين الكيمياء الكلاسيكية وكيمياء الكم أكثر إحكامًا. لقد استغرق الأمر منهم عدة سنوات للتغلب على كل النكسات التي واجهوها. بدأوا تجاربهم في معهد وايزمان في رحوفوت، ولكن عندما أكمل ليفيت دراسات الدكتوراه بعد عدة سنوات، عاد إلى كامبريدج حيث انضم إلى وورشيل. وفي عام 1976 حققوا هدفهم ونشروا أول نموذج حاسوبي للتفاعل الأنزيمي. لقد كان برنامجهم ثوريًا لأنه يمكن استخدامه فيما بعد أي نوع من الجزيئات. ولم يعد حجم الجزيء عائقًا في مجال تصوير التفاعلات الكيميائية.

التركيز على قلب العمل

عندما يقوم الكيميائيون اليوم بنمذجة العمليات الكيميائية، فإنهم يطبقون القدرة الحاسوبية حيثما تكون هناك حاجة إليها بالضبط، فهم يقومون بإجراء حسابات فيزيائية كمومية صعبة فقط على تلك الإلكترونات والنوى الذرية التي تؤثر بشكل مباشر على العملية الكيميائية. وبهذه الطريقة، يحصلون على أعلى دقة في المكان المحدد الذي يهمهم. تتم نمذجة بقية الجزيئات باستخدام المعادلات الكلاسيكية. من أجل عدم إهدار قوة الحوسبة، قام مايكل لوت وآري وارشيل بتقليل عبء العمل الواقع على الكمبيوتر بشكل أكبر - لا يحتاج الكمبيوتر إلى الرجوع إلى كل ذرة فردية في مناطق ليست في الأجزاء المهمة من الجزيء. لقد أظهروا أنه يمكن دمج عدة ذرات أثناء العمليات الحسابية.

في الحسابات التي تم إجراؤها اليوم، أضاف العلماء طبقة ثالثة من التصور - بكل بساطة، يستطيع الكمبيوتر، في تلك المناطق البعيدة عن العملية الكيميائية، تجميع الذرات والجزيئات معًا ومعالجة هذه المجاميع ككتلة متجانسة. تُعرف هذه الآلية في المجتمع العلمي بأنها الوسط العازل.

تعتمد المسافة التي ستصل إليها فعالية عمليات المحاكاة على المستقبل
حقيقة أن العلماء في هذه الأيام يستخدمون أجهزة الكمبيوتر لإجراء التجارب أدت إلى فهم أعمق لسلوك العمليات الكيميائية. تكمن قوة الأساليب التي طورها مارتن كاربيلوس ومايكل ليفيت وآري وارشيل في عالميتها. يمكن استخدامها لدراسة جميع أنواع الكيمياء؛ من الجزيئات الموجودة في العالم الحي إلى العمليات الكيميائية المستخدمة في الصناعة. وبفضل هذه الأساليب، يستطيع العلماء تحسين الخلايا الشمسية والمحفزات الكيميائية في محركات السيارات وحتى الأدوية.

وفي الوقت نفسه، فإن التقدم في هذا المجال لن يتوقف هنا. في أحد منشوراته، وصف مايكل ليفيت أحد أحلامه - لمحاكاة كائن حي على المستوى الجزيئي. هذه فكرة مغرية. تعد نماذج الكمبيوتر التي طورها الفائزون الثلاثة بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2013 أدوات قوية للغاية. إن نطاق التطبيقات والفهم البشري والمعرفة التي يمكن أن تتقدم بها هذه الأساليب يظل في أيدي المستقبل.