Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Химический Нобель за компьютерные модели


Мартин Карплюс, Майкл Левитт и Арье Уоршел

Мартин Карплюс, Майкл Левитт и Арье Уоршел

С 6 октября в Стокгольме проходит Нобелевская неделя, в рамках которой будут объявлены лауреаты Нобелевской премии в области физиологии и медицины, физики и химии, а также премии по литературе, премии Мира и премии Шведского государственного банка за достижения в экономических науках имени Альфреда Нобеля, которую неофициально называют Нобелевской премией по экономике.

ХИМИЯ

Как и в случае с премией в области медицины и физиологии, многие эксперты сходились в своих прогнозах, что для Нобелевской премии вообще говоря является редкостью. В частности, среди потенциальных лауреатов называли химика российского происхождения Валерия Фокина, который мог претендовать на премию за разработку методов клик-химии. Однако никто из экспертов не угадал. Лауреатами в этом году стали американец Мартин Карплюс, южноафриканец Майкл Левитт и израильский ученый Арье Уоршел. Премии они удостоились за "разработку мультимасштабных моделей сложных химических систем".

В 70-е годы химик Карплюс и биохимики Левитт и Уоршел заложили основы компьютерного моделирования химических процессов. Это позволило теоретически объяснить многие реакции и предсказать их результаты. Вместо того, чтобы ставить огромное количество опытов, появилась возможность понаблюдать за виртуальной химической реакцией, разобраться с происходящим непосредственно на уровне физического взаимодействия отдельных атомов. Еще один важный момент – его специально отметили члены Нобелевского комитета – этот подход дал химикам возможность учитывать эффекты одновременно классической физики и квантовой механики.

Декан химического факультета МГУ Валерий Лунин поделился своим мнением о премии этого года:

– В этот раз Нобелевская премия совершенно заслуженно присуждена известным ученым в области компьютерного моделирования сложных химических процессов, причем не просто сложных, но и очень быстро протекающих процессов.

Самый идеальный химический реактор – организм человека или другого живого существа. Для моделирования многопараметрических процессов, проходящих в организме, нужны мощные программы, которые позволяли бы осуществлять быстрое вычисление элементарных процессов, которые составляют всю последовательность химических обращений в живом организме. Работа, за которую в этом году присуждена Нобелевская премия, приближает нас к моделированию и пониманию подобных сложных процессов.

Хочу отметить, что вообще в последние десятилетия Нобелевские премии по химии регулярно связаны с быстро протекающими процессами. Например, в 1999 году лауреатом стал Ахмед Зевейл за фемтосекундную спектроскопию, речь там шла о мгновениях, а в этот раз мы говорим не просто об одной реакции, а о целой последовательности сложных реакций, для их исследования нужны быстрые вычисления, мощные компьютеры и хорошие программы. Лауреаты премии этого года как раз создали такие программы и открыли возможность исследования таких процессов.

– Подобные компьютерные модели применяются при создании лекарств?

– Лекарства – это, как правило, большие и сложные молекулы. Заменив в такой молекуле только одну группу, можно получить лекарство, которое не просто не будет полезно, но окажется вредным для человека. Возможность управлять одиночными атомами, одиночными молекулами появилась только благодаря очень точному и быстрому моделированию, что, собственно, и стало возможным благодаря работам лауреатов. Возможность прогнозировать свойства сложных соединений и управлять этими свойствами – огромное достижение.

– Как вы считаете, у Валерия Фокина есть реальные шансы на получение Нобелевской премии в ближайшие годы?

– Да, он человек выдающийся. Фокин и его коллеги предложили способ синтезировать сложные органические соединения с минимальным ущербом для окружающей среды. Практически это можно назвать зеленой химией. Это выдвигает Фокина в число претендентов, достойных присуждения Нобелевской премии.


ФИЗИКА

Вчера с беспрецедентной часовой задержкой Нобелевский комитет назвал лауреатов Нобелевской премии 2013 года по физике. Ими, как и предполагали многие эксперты, стали 84-летний шотландец Питер Хиггс и 80-летний бельгиец Франсуа Энглер. Это двое из довольно большой группы ученых, почти полвека назад предложившей теоретический механизм, объясняющий возникновение массы у элементарных частиц. Механизм предполагал существование еще одной неизвестной на тот момент частицы, которая получила имя "бозон Хиггса". Новая частица была обнаружена только в 2012 году благодаря экспериментам на Большом адронном коллайдере. Споры о том, является ли этот бозон искомым бозоном Хиггса, продолжались до недавнего времени. Заведующий лабораторией теоретической физики ИТЭФ Александр Горский объяснил, что сомнений больше нет, а значит премия присуждена заслуженно.

Питер Хиггс и Франсуа Энглер

Питер Хиггс и Франсуа Энглер

– Какова ситуация на настоящий момент: бозон Хиггса действительно найден, сомнений больше нет?

– Сейчас в этом практически никто не сомневается. Последние экспериментальные данные показывают, что квантовые числа обнаруженной частицы согласуются с тем, что было предсказано в рамках Стандартной модели. То, что масса бозона соответствует ожиданиям, тоже было подтверждено результатами нескольких экспериментальных групп. Так что практически ни у кого из теоретиков и экспериментаторов сомнений не осталось.

– То есть Нобелевская премия за эту теоретическую работу присуждена вполне заслуженно?

– Безусловно. Механизм был описан достаточно давно, и он оказался ключевым при построении стандартной модели объединения электрических и слабых взаимодействий. Нобелевская премия была присуждена совершенно справедливо.

– Была ли роль Питера Хиггса ключевой в описании этого механизма?

– Как это часто бывает, многие ученые высказывали очень близкие идеи примерно в одно и то же время. Но роль Хиггса безусловно очень велика. Его механизм оказался достаточно универсальным, он используется и в физике твердого тела, и в квантовой теории поля. Замечу, что близкие идеи еще раньше высказывались в том числе и в СССР. Один из советских теоретиков Валентин Вакс пытался работать в этом направлении и предлагал близкие идеи. Была работа тогда еще очень молодых теоретиков Александра Полякова и Александра Мигдала. Но эти исследования в Союзе оказались невостребованными, а Питеру Хиггсу удалось убедить научное сообщество в их важности. В этом его огромная заслуга.

– Как вы считаете, почему с Хиггсом премию разделил именно Франсуа Энглер? Ведь на премию за это открытие помимо Хиггса могли претендовать еще три или четыре ученых?

– Конечно, перед Нобелевским комитетом стояла непростая задача выбрать лауреатов из нескольких человек, участвовавших в правильной и окончательной формулировке этого механизма. Почему премию получил именно Энглер, мне прокомментировать сложно. Остается только его поздравить.

ФИЗИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНА

В понедельник были названы лауреаты Нобелевской премии в области физиологии и медицины. Вопреки прогнозам большинства экспертов, отдававшим премию эпигенетикам за работы о метилировании ДНК, лауреатами стали клеточные биологи. Джеймс Ротман, Рэнди Шекман и Томас Зюдхоф были названы обладателями премии за исследования механизмов транспорта белков в живых клетках. О сути открытия рассказал заведующий лабораторией клеточной подвижности НИИ физико-химической биологии Иван Воробьев.

– В этом году Нобелевский комитет верен себе: говорить об открытии надо было еще 20-25 лет назад. Сегодня эти работы уже стали классикой, часть из них вошла в современные учебники по клеточной биологии, часть войдет в ближайшее время. Работы трех авторов связаны с общим процессом, который можно было бы назвать внутриклеточной логистикой. В клетках постоянно синтезируются и перемещаются белки, некоторые из них выходят во внешнюю среду. Для перемещения эти белки организуются в специальные комплексы, в пузырьки настолько маленькие, что их видно только под электронным микроскопом. Вопрос в том, что каждый такой пузырек должен найти свой адрес, куда он придет, с какой мембраной сольется. Долгое время это была абсолютная мистика – кроме констатации факта, что пузырьки есть, что их много и что они, наверное, разные, мы мало что знали. Процесс транспорта описывался, перемещения пузырьков фиксировались, но дело не сдвигалось до тех пор, пока не стало понятно, как устроена адресация белков в клетке, правильнее сказать, адресация пузырьков, переносящих белки в клетке. Расшифровка этой адресации в значительной мере и была осуществлена Ротманом, Шекманом и Зюдхофом.

Сначала были идентифицированы специальные белки, которые регулируют формирование пузырьков. Потом были найдены белки, которые обеспечивают специфическое узнавание белков с определенными мембранами, в том числе с поверхностной мембраной клетки, что важно для секреции. Наконец, в третьей работе было показано, что в нервных клетках (и не только в них) существует так называемая регулируемая секреция. Пузырьки накапливаются и после определенного сигнала в течение миллисекунд сливаются с мембраной, сигнал выходит во внешнюю среду. Это основополагающий принцип работы нашей нервной системы, так устроен нервный импульс: в ответ на какое-то воздействие пузырьки из нервной клетки выделяют свое содержимое наружу и другая нервная клетка воспринимает этот сигнал. Оказалось, что этот очень быстрый процесс определяется изменением концентрации ионов кальция.

Ротман, Шекман и Зюдхоф

Ротман, Шекман и Зюдхоф


Все это работы 70-х – 90-х годов, это не свежие открытия, а устоявшиеся вещи, вошедшие в лекционные курсы. Но, как известно, Нобелевскую премию рано заслужить, до нее еще нужно дожить.

– Нашли ли эти исследования отражение в медицине?

– Безусловно. Есть огромное количество заболеваний, связанных как раз с нарушением этих транспортных систем. Довольно неожиданный пример, это проблема аутизма. В России даже такое заболевание не отваживаются назвать, но в мире все его знают – речь о замкнутых людях, испытывающих проблемы с общением. Это дефект нервной системы, дефект на молекулярном уровне, связанный именно с транспортными системами. И это только один из примеров, их очень много.

Показать комментарии

XS
SM
MD
LG