Nobelpriset i kemi 2013

lyder Nobelkommitténs korta motivering till varför 2013 års nobelpristagare i kemi belönades. Priset delas i år lika mellan tre pristagare, nämligen Martin Karplus, Université de Strasbourg, Frankrike och Harvard University, USA, Michael Levitt, Stanford University, USA och Arieh Warshel, University of Southern California, USA. Vad innebär då den korta motiveringen ovan? Flerskalemodeller är ett begrepp som generellt sett används när man med datorers hjälp studerar kemiska system som spänner över stora längd- eller tidsskalor. Om vi till exempel tänker oss veckningen av ett protein så är detta en process som innefattar flera tidsskalor. Elektronerna i proteinet rör sig i attosekundskala. Atomerna rör sig i femtosekundskala. Mindre delar av proteinet rör sig i pikosekundskala medan proteinet som helhet veckar sig på betydligt längre tidsskala, kanske millisekunder. Pristagarna belönas för att de har utvecklat metoder som gör det möjligt att i samma datorberäkning inkludera processer som sker över skilda tids- eller längdskalor.

De komplexa system som pristagarna har studerat är framförallt makromolekyler som är relevanta inom biokemi, det vill säga den kemi som sker i levande organismer. För att möjliggöra detta behandlas olika delar av biomolekylen med olika noggrannhet. Man gör en bedömning av vilket område som är viktigast för processen och behandlar det med den högsta noggrannheten. De delar av molekylen som ligger utanför detta område behand­las mer approximativt.

De metoder som i första hand belönas går under benämningen QM/MM, vilket står för Quantum Mechanics/Molecular Mechanics (figur 1). Quantum mechanics, det vill säga kvantmekanik, innebär att vi löser ekvationer som beskriver elektronernas fördelning i systemet; oftast Schrödingerekvationen:

Detta ger oss den potentiella energin (lägesenergin) för den valda placeringen av atomer. Ofta görs detta upprepade gånger för att hitta den placering av atomerna, alltså den geometriska struktur, som ger lägst energi, och kräver mycket datorkraft. Utvecklandet av metoder och datorprogram för sådana elektronstrukturberäkningar belönades med nobelpriset i kemi 1998.

I den del som behandlas med MM beräknas den potentiella energin från enklare analytiska funktioner. När den potentiella energin beskrivs med enkla funktioner refererar man i de här sammanhangen till den som en klassisk potential. Parametrarna i de analytiska funktionerna anpassas ofta till experimentellt tillgänglig information. Det förekommer också att parametrarna i de analytiska funktionerna anpassas till data som kommer från kvantmekaniska beräkningar. I och med att man använder enkla funktioner blir den potentiella energin som beräknas i MM-regionen mer approximativ än den som beräknas i QM-delen. Beräkningarna blir å andra sidan väsentligt snabbare och medför att man kan studera större och mer komplexa system.

Proteiner befinner sig inte i vakuum utan i ett lösningsmedel. Det har visat sig att det ofta är viktigt att även ta hänsyn till det omgivande lösningsmedlet.  Det görs då vanligen på ett än mer approximativt sätt där man behandlar lösnings­medlet som ett kontinuum karaktäriserat av en di­elektricitetskonstant.

Att dela upp beräkningarna i regioner som behandlas med olika noggrannhet är ett av två viktiga bidrag från nobelpristagarna. Det andra är det som kallas coarse-graining. Detta illustreras i figur 2 och innebär att man i utvalda delar av molekylen inte behandlar atomerna enskilt utan tillsammans som en större enhet. Det kan till exempel göras med aminosyrornas sidokedjor i ett protein. Effekten av det blir att man får betydligt färre frihetsgrader att behandla när man vill minimera energin för att hitta jämviktsstrukturen hos proteinet, beräkningen går fortare att genomföra, och man kan studera avsevärt större system.

Inom fysikalisk kemi på Göteborgs universitet används Nobelpristagarnas metoder regelbundet. I nummer 1 2013 av Science Faculty Magazine berättade vi om Leif Erikssons forskning, i vilket dessa metoder används för studier av enzymatiska mekanismer för att modellera hur liposomer fyllda med läkemedel växelverkar med cellers membran, och i utveckling av nya läkemedel mot bland annat cancer.

I Gunnar Nymans forskargrupp i fysikalisk kemi används QM/MM- metodiken för att studera hur molekyler bildas i interstellära moln, det vill säga i de områden mellan stjärnorna där nya stjärnor föds. Arbeten i den här riktningen började lustigt nog just i år när en post-doc, Chamil Sameera, anställdes för att studera hur små radikaler diffunderar på isytor (figur 3), vilka är vanligt förekommande i de interstellära molnen där det är oerhört kallt. Radikalen och delar av isytan ingår då i QM-regionen medan en betydligt större del av isen behandlas med MM-metodik. Chamil har därvid arbetat med att bestämma vilka kvantmetoder och vilka kraftfält för molekylmekaniken som fungerar bra för de interstellära tillämpningarna.

Inom QM/MM följer man vanligen inte molekylens rörelse i tiden utan beräknar bara de mest sannolika strukturerna och en reaktionsväg. Ibland låter man dock proteinet röra sig dynamiskt, vilket sker med utnyttjande av klassisk mekanik. En sann förening av kvantfysiskt baserad atomrörelse med klassisk fysik förekommer dock inte i QM/MM-metodiken. Den kombinationen är dock ett mycket spännande forskningsområde som det bedrivs forskning på vid några universitet i världen, bland annat i Göteborg. I augusti 2014 ordnas i Göteborg en internationell konferens, MOLEC, där detta forskningsområde är ett centralt tema.