החיבור בין פיסיקה קוונטית לכימיה אורגנית. חלק שני בראיון שנתן חתן פרס נובל פרופ’ אריה ורשל לאתר הידען

פרופ’ אריה ורשל: ” המאמר הראשון שמחבר פיסיקה קוונטית ופיסיקה קלאסית ביישום בכימיה היה בכלל עבודה שעשיתי במכון ויצמן בהמתנה לפוסט”.

בחלק הראשון של סדרת הכתבות המבוססת על ראיון שערכנו עם פרופ’ אריה ורשל הוא מתאר את המהירות שבה סיים את התואר השני והדוקטורט במכון ויצמן, בזכות הפיתוח שלו של פישוט הנוסחאות המסובכות לשורת קוד אחת במחשב. הוא כמובן התבקש כמו כל מסיים דוקטורט לעשות פוסט-דוקטורט בחו”ל, אבל היה לו המון זמן פנוי באמצע.

“כדי למלא את הזמן הפנוי בדרך לפוסט עשיתי כמה עבודות בצד ואחת מהן הייתה בסיס למה שקיבלנו עליה את פרס נובל – שילוב של קוונטים וקלאסיקה. היה לי חבר במכון הביולוגי בנס ציונה, שמו אברהם ברומברג. הוא עבד בכימיה ומדד אפקט איזוטופי של מולקולה עם שלוש טבעות שעושה ריאקציה עם חמצן. כשהוא ניסה להציג את זה בכנסים במכון המומחים בשטח אמרו שלא יכול להיות שיש אפקט כזה גדול של מינהור שגורם לתגובה כל כך מהירה. החלטנו שאני אכתוב תוכנית שתחשב את האפקט של המינהור הקוונטי – המעבר דרך המחסום כדי לבדוק עד כמה הוא חשוב. אז כבר הייתה לי התכנית שיכולה לחשב תנודות של מולקולה אבל את התגובה עם החמצן היה צריך לחשב בהתאם לחוקי מכניקת הקוונטים. לקחתי ספר כימיה ותיכנתתי את התיאור של החלק הקוונטי בשיטת תאוריית הקשר הערכי Valance Bond) – שיטת תיאור ההתנהגות הקוונטית שלינוס פאולינג קידם) אך התכנות בשיטת תיאוריית הקשר הערכי מסובכת משום שהיא דורשת נוסחאות מסובכות מאוד, השונות לכל ריאקציה ומרבית העבודות הממוחשבות בכימיה קוונטית הפכו קלים הרבה יותר תכנות תוך שימוש בשיטת המסלולים המולקולריים (molecular orbitals) ששימשה מאוחר יותר ברבים ממחקרי. הצלחתי לתכנת את הביטוי המסובך המתאר את החלק הקוונטי ולקבל את האפקט העצום שברומברג מדד.”

“זה היה למעשה המאמר הראשון שמחבר את תורת הקוונטים והמכניקה הקלאסית. ואז קרפלוס בא למכון לחצי שבתון ונסעתי אליו לפוסט דוק והחלטנו שאולי כדאי להפעיל את שיטת Molecular Orbitals כדי לחשב את התנהגות מולקולת הרטינל (retinal) מולקולה קטנה הנקשרת לחלבון ברשתית העין, המשנה את צורתו בתגובה לאור (במסגרת תהליך הראייה). בין הדברים החשובים שהמצאתי בשהותי בפוסט בבוסטון היה לחבר את התוכנית מהמכון (שנקראה Consistent Force Filed שם שליפסון המציא או בעברית שדה כוח מתואם). הרעיון היה לחבר את התוכנה עם חישובים של π electrons – שיטה שבה מסתכלים על מולקולות כמו בנזן ומתארים רק את האלקטרונים שהם Non localized בצורה קוונטית, כך מקבלים תיאור טוב לספקטרום שלהם. תמיד היו מאמרים שאמרו שאפשר לקבל קירוב טוב לספקטרום אך לא למבנה לספקטרום ולויברציות ביחד. מאיפה שאני באתי לא היה דבר כזה שאי אפשר. באמצעות שיפור של הפרמטרים במודל הצלחנו לקבל תיאור של המולקולה ואת כל התכונות שלה: מעברים אלקטרוניים, ויברציות, אנרגיה ומבנה. הפעלתי את אותה שיטה לשפר את הפרמטרים בתוכנה הקלאסית לזו שבה היה תיאור קוונטי מכאני לאלקטרונים המצומדים.”

“אנקדוטה על זה – התוכנה שכתבתי הייתה במשך 30-40 שנה האמצעי הכי טוב ללמוד מולקולות שהן מצומדות כולל מולקולות שיש להן צבע בתוך חלבונים ורבים בקהילה הקוונטית שאהבו מודלים קוונטיים שבהם כל מתחשבים בכל האלקטרונים, לרבות אלו הנמצאים באטומים שאינם מעורבים בקשר ה- πקיבלו את זה (אף כי נסיינים רבים השתמשו בתוכנה). כשגילו את כדורי באקי, שעליהם קיבלו פרס נובל, תיאורטיקאים ניסו לחשב את התנודות של כדורי באקי בשיטות Hard Core Quantum Mechanics, וחצי מהמאמר הוקדש לזה שקיבלו תוצאות יותר טובות בתוכנית שלי אבל זה מוכרח להיות מקרי. אבל זה היה הכל בגלל שהתעקשתי להתאים את הפרמטרים לניסיונות שלי וכיוון שהפיסיקה של המודל הייתה טובה אז הוא עבד טוב. ”

“בתוכנית הזו שקראתי לה QCFF/PI השתמשתי להסתכל למשל על הפוטוכימיה של רודופסין מולקולת הצבען (פיגמנט) בעין. במאמר שפרסמתי בנייצ’ר ב-1976 הצגתי את העבודה הראשונה של Molecular Dynamics בביולוגיה, כאשר לקחתי את המולקולה, שמתי אותה במצב מעורר ועשיתי סימולציה שבה הראיתי כיצד היא מסתובבת ומשתנה מאיזומר ציס לאיזומר טרנס. (ראו הסבר בויקיפדיה). בשלב הראשון של הראיה המולקולה יושבת בתוך החלבון במבנה ציס ועוברת למבנה הפוך – טרנס. אז חשבו שהתהליך נמשך יותר מ-6 פיקושניות. בחישוב הזה מצאתי שזה 100 פמטושניות. יצא לי בחישוב בדיוק מה שמצאו שנים אחרי זה ניסיונית. אף אחד לא האמין – היו אנשים שכתבו מאמרים שלמים שניסו להוכיח שזה לא יכול להיות.”

“זו גם דוגמה טובה לצורה שבה אני עובד. באותו זמן שאנשים דיברו על פוטוכימיה הם דיברו על רמות אנרגיה שיש הרבה רמות ויברציות ואתה מכניס להם אור ואז מתרחש תהליך המכונה Radiationless Transition ממנו ניתן לדעת כיצד מולקולה במצב המעורר עוברת מציס לטרנס. עוד בשנת 1971 קראתי מאמר שבו אנשים עבדו על מולקולות קטנות ובמקום להסתכל על קונטום של ויברציות הם ראו מה הסיכוי למעבר בין המצבים השונים – מודל קלאסי-למחצה. תפסתי פתאום שזו השיטה שבה ניתן להשתמש בכל תהליך פוטוכימי.”

“ההבנה שהשיטה הזו שעשו לריאקציות של H +HH היא השיטה הנכונה בה צריך להשתמש עבור מולקולות גדולות. ואחרי זה השתמשתי בשיטה הזו כדי להיות הראשון שגילה מה באמת מתרחש בצעד הראשון של תהליך הפוטוסינתיזה. לקח זמן עד שאנשים הבינו שככה צריך להסתכל על זה. (להפנות לסרטים באתר). כל מה שניבאתי ב-1976 התברר עד לפרט האחרון שזה נכון מספרית ובשנים האחרונות גם חישובית.

“אבל נחזור רגע לאחור, לתקופה שבה חזרתי מהפוסט ורק רציתי לבצע חישוב במכניקת הקוונטים לכל מולקולה אורגנית. כתבתי תוכנה מסובכת ויפה שעד היום חוץ ממני אף אחד לא השתמש בה, והכוונה הייתה שיום אחד אעבוד על אנזימים. באותה תקופה לויט חזר למכון התחלנו לעבוד על קיפול חלבונים. הוא פיתח את תוכנת ה-CFF לדרגה שבה היא יכולה לשמש לתיאור כל סוג של חלבון או מולקולה גדולה. לתוכנית הזו לא שינה מה גודל המולקולה. הוא עבד אז על האנזים ליזוזים והראה שהליזוזים עובדת על ידי זה שהכוחות של החלבונים לוקחים את הסוכר ומזיזים אותו מצורה של כסא לצורה של ספה. הספה יותר דומה לצורה שיש לסוכר במצב המעבר שבו הקשר נשבר (STRAIN HYPOTESIS). מייק הראה כי מתח לא יכול לשמש להסבר קטליזה (דבר שנראה לי מובן מאליו אבל היה פריצת דרך). החלטתי לא לראות מה לא עובד אלא מה כן עובד ובשביל זה הייתי צריך לעשות את הכימיה ולשבור את הקשר בליזוזים. באותה תקופה כיוון שהעבודה על הקיפול עם מייק עשתה אימפקט גדול קיבלתי מלגת EMBO והצטרפתי אליו לעבודה במרכז למחקרים רפואיים בקיימברידג’. ואני נמשכתי לדברים שלי – העבודה על המוגלובין ודברים אחרים ולנסות לפענח את התנהגות האנזימים. כשניסיתי בתוכנית שלי לשבור את הקשר בליזוזים הפירוק מתרחש פי כמה מיליארדים יותר מהר מאשר בתמיסה. חיברתי את התוכנית שלי שידעה כבר לטפל במכניקת הקוונטים עם התוכנית של מייק וניסיתי לשבור את הקשר וזה לא הצליח. יצא שלעשות כימיה בחלבון זה 50 קילוקלוריות יותר גבוה מאשר לעשות את זה במים שזה כמובן לא נכון. התשובה הייתה שמה שאני עושה לא נכון, שלא יתכן שאני מקבל אנזים שעובד 10 בחמש עשרה יותר לאט מבמים. משהו חסר. ומה שהבנתי שחסר זה שכאשר שוברים קשר של פחמן וחמצן בגז (בלי מים בלי אנזים) הקשר נשבר לרדיקלים (אלקטרון על הפחמן ואלקטרון על החמצן) וזה תמיד עולה 80 קילוקלוריות. אי אפשר לעשות את זה יותר מהר אבל במים הקשר נשבר לפחמן פלוס וחמצן מינוס והסיבה שזה קורה היא שהמים או החלבון מייצבים בשדה האלקטרוסטטי שלהם ליד המינוס אפקטים חיוביים מהסביבה וליד הפלוס יש אפקטים של מטענים שליליים.”

כימאים קיבלו תוצאות לא מציאותיות כאשר הם ניסו למדל את הריאקציה H2O+H2O OH- +H3O+ ופשוט השתמשו במכניקת הקוונטים ללא השפעת המים ולפיכך קיבלו תוצאות שגויות. התעקשתי לפתור את השאלה הרלוונטית. כשראיתי את הבעיה הלכתי לספריה, בזבזתי כמה חודשים ראיתי שאף כימאי לא ניסה לפתור את הבעיות מה שחסר האפקט של המים או החלבון בתוך החלק הקוונטי של התוכנית. אלו שלוש שורות בקוד של המחשב אם אתה יודע איפה לשים אותן.

“כדי לזהות את אפקט הקוונטום צריך רק להוסיף אות אחת בנוסחה. עד 1973 כל הנסיונות לעשות זאת כללו התבוננות באינטראקציה של כל המולקולות וסביבתם בגישה שלא היה לה סיכוי לפעול בשום דרך במציאות. הגישה שלי היתה כאמור שצריך להסתכל על הנוסחה הראשונה בספר ולא להמשיך לקרוא ראיתי שכבר בנוסחה הראשונה שבה יש מטענים של אטומים קוונטים שנכנסים לאזור של אטומים קוונטים אחרים, מבינים מכך מהו האפקט של מטענים של אטום A על אטוםB . כל מה שעשיתי – נוסחה לגמרי כללית במקום שאטום A יהיה קוונטי נשים את המטען מאטום A שהוא קלאסי. זו היתה תוכנת ה-QMMM האמיתית הראשונה שהובילה לכל פריצות הדרך בשטח. היה להוסיף למכניקת הקוונטים את המטענים של הסביבה הקלאסית היה צריך תיאור מים מסביב לחלבון. באותו זמן, אנשים לא ידעו איך לעשות את זה היה ברור שאי אפשר לעשות את זה. בנינו גריד של קוביות שבכל אחד במקום מים יש דיפול ולימדנו את הדיפולים האלה להסתובב לכיוון המטענים וגם אימנו אותם שהם יתנו את אותה התרומה כמו מים.”

“במאמר מ-76 שהוא המרכז של הנובל גם פתרנו את הבעיה של הטיפול באנרגיות אלקטרוסטטיות בחלבונים. במקום לחשוב שאי אפשר לעשות את זה ואף פעם אי אפשר יהיה לעשות ואולי צריך להשתמש בחוקי מקסוול לאלקטרוסטטיות אני לא האמנתי באף נוסחה. הגישה שלי, שצריך לייצג כל דבר בצורה מולקולרית – לא חשוב אם בצורה פשוטה לגמרי מנוגדת לגישה שהייתה בכימיה תיאורטית שאתה צריך לייצג כל דבר הכי מדויק שאפשר.”

בכל השנים אחרי זה בעיקר התאמצתי להסביר איך אנזימים עובדים ואני בטוח שהתוכניות שלי מסבירות את זה לגמרי אבל גם בזה היו קשיים גדולים כי דבר אחרון שאנשים רוצים זה שאנשים אחרים יסבירו להם איך חידה כזו עובדת. וכל זה נעשה בעזרת החלק האלקטרוסטטי שנוסף ב-76.

“היום כל הקהילה משתמשת בשיטות הללו. אך גם על כך היו מי ששאלו איך יכול להיות ששיטה כזו ילדותית נותנת תוצאות נכונות זו שיטה שאפשרה לי להסביר בצורה כמותית איך הם עובדים ויותר חשוב איך הם לא עובדים, וחלק מהשנים האלה היו להפוך את השיטות הללו לשיטות כמותיות וכל כמה זמן לבזבז אנרגיה ולהסביר להם שלמרות שזה נראה כאילו שחלמתי על זה באמצע הלילה זה גם כמותי. את המאמרים המסובכים שלי הם אף פעם לא קראו. ”

“רודי מרקוס, שקיבל פרס נובל על Electron Transfer, ואשר לא מזמן חגגנו לו יום הולדת 90 היה נוהג להגיד לי שיש שני אריה ורשל שלא יתכן שאותו אדם כותב את שני סוגי המאמרים. את המאמרים שבהם פיתחתי את השיטה אנשים החליטו שלא צריך לקרוא ומאמרים שהשתמשתי באינטואיציה החליטו שזה לא יכול להיות נכון. למזלי תוכנית מחשב זה דבר שמדבר בעד עצמו.

לאחר שיחה ארוכה שדנה בחלק המדעי ושאותה יכולתם לקרוא בחלק הראשון ובחלק השני של הסדרה, ביקשתי את התייחסותו של פרופ’ ורשל לסוגיה שהועלתה בכלי התקשורת ביום ההודעה על הזכיה, בדבר אי מתן הקביעות על ידי מכון ויצמן.

למה בעצם לא נשארת במכון ויצמן?
את הפוסט בהארווארד השלמתי עד שנת 1972. מיד לאחר מכן חזרתי למכון וכאמור המשכתי במחקרים עם לויט. בשלב מסוים הם לא נתנו לי קביעות כי הם החליטו שלא יתכן שאני עושה את מה שאני עושה. שזה לא אפשרי. הם בחרו להקשיב להשמצות. אחרי זה נתנו לי תפקיד של פרופסור בלי קביעות נסעתי לדרום קליפורניה לחכות לראות מה יחליטו במכון. לאחר ההחלטה שלא לתת לי קביעות החלטתי להישאר בקליפורניה ומאז אני שם.

בוודאי אתה מודע לכך שגם לעדה יונת עשו קונצים דומים? (למעשה היא פוטרה אך איכשהו הצליחה להינצל, ראו ראיון שקיימתי עימה ב-2009. א.ב.)
“ההבדל הוא שעדה יונת הייתה שנתיים לפני אז הם עשו פחות קונצים. לה נתנו חדר קטן בתור מעבדה, אבל עוד נתנו לה קביעות. באחת התגובות של המכון הם טענו שאם הייתה לי סבלנות היו נותנים לי קביעות. הגשתי להם פעמיים בקשה לשינוי ההחלטה, ואפילו היו לי ממליצים טובים בדמותם של פרופ’ ליפסון ומכתבים מחתני פרס נובל, לא היה צריך מאמץ גדול להאמין למשמיצים. למי שלא מבין מה המחשב יכול לעשות היה מאוד קל להאמין שזה לא יתכן. פרופ’ אלישע הס מבר אילן סיכם את המקרה שלי ואמר שזה לא בריחת המוחות אלא הברחת המוחות.”

“מצד שני, כששאלו אותי אם יש לך משאבים מוגבלים צריך לקבל החלטות קשות. היום קראתי על בריחת מוחות מפולין בעיתון של האגודה המלכותית לכימיה. כשיש לך משאבים מוגבלים זה קורה ויש קושי אובייקטיבי שאתה לא יכול לגלות מה יהיה הדבר הבא. פעם כשדנו בקביעות שלי ב-USC אמר אחד הממליצים שיש שני מודלים במדע – אחד זה פרופסור אחד מאוד טוב שעשה מה שאחרים עושים יותר טוב מהם ויש את המודל שלי שעושה את הכל שונה והוא אמר שהמודל שלי מביא לנובלים והמודל השני לא. זה היה ב-81′. יש קושי אבל מה שחשוב הוא שאם יש מכתבים שליליים למישהו שעושה דברים מקוריים זה המקום שבו הישראלים מאוד טובים להפעיל את התכונות הלא טובות שיש להם – לחפש פגמים. לא שלא עושים את זה באמריקה אבל בזה הישראלים קצת יותר טובים.”
תודה לד”ר משה נחמני על עזרתו בהגהת המונחים הטכניים בכימיה.

אתר הידען ידווח משבוע הנובל בשטוקהולם. בין היתר הדבר יתאפשר בזכות השתתפותכם בפרויקט מימון ההמונים הישראלי Headstart . לדף הפרויקט