העברת הניסויים למרחב הממוחשב – הסבר פופולארי על המדע של זוכי נובל בכימיה לשנת 2013

כימאים בכל רחבי העולם מתכננים ומבצעים ניסויים בעזרת המחשבים שלהם מדי יום ביומו. בזכות הסיוע של השיטות שפיתחו בשנות השבעים שלושת החוקרים זוכי פרס נובל לכימיה לשנת 2013, מרטין קרפלוס, מייקל לויט ואריה ורשל, הם מצליחים לבחון כל שלב ושלב בתהליכים כימיים מורכבים הסמויים מהעין

תגובות כימיות מתרחשות במהירות האור; אלקטרונים מדלגים בין גרעיני האטומים, חבויים הרחק הרחק מעיניהם המייחלות בציפייה של המדענים. חתני פרס נובל בכימיה לשנת 2013 אפשרו למפות את הדרכים המסתוריות של הכימיה בעזרת מחשבים. ידע מפורט באשר לתהליכים כימיים מאפשר לשפר ולייעל זרזים כימיים, תרופות ותאים סולאריים.

כימאים בכל רחבי העולם מתכננים ומבצעים ניסויים בעזרת המחשבים שלהם מדי יום ביומו. בזכות הסיוע של השיטות שפיתחו בשנות השבעים שלושת החוקרים מרטין קרפלוס, מייקל לויט ואריה ורשל, הם מצליחים לבחון כל שלב ושלב בתהליכים כימיים מורכבים הסמויים מהעין הבלתי מזוינת.

על מנת שאתה, הקורא, תוכל להבין כיצד האנושות יכולה להרוויח מהישגם של שלושת החוקרים הזוכים, עלינו להתחיל בדוגמה. לבש את חלוק המעבדה שלך, כיוון שיש לנו אתגר עבורך: ליצור מערכת פוטוסינתזה מלאכותית. התגובה הכימית המתרחשת בעלים ירוקים ממלאת את האטמוספירה בחמצן והיא אחת מהדרישות המוקדמות לקיום חיים בכדור הארץ. אולם, התגובה מעניינת גם מבחינה סביבתית. אם תצליח לחקות את מנגנון הפוטוסינתזה אתה תוכל לפתח תאים סולאריים יעילים יותר. כאשר מבקעים מולקולה של מים נוצר חמצן, אך יחד עם זאת נוצר גם מימן שיכול לשמש להנעת רכבים. כך שיש סיבה טובה מאוד ליזום מיזם שכזה. אם תצליח בו, אתה בעצם תוכל לתרום לפתרון בעיית אפקט גזי החממה.

עוד באותו הנושא באתר הידען:

• העבודה של זוכי פרס נובל לכימיה ובהם פרופ’ אריה ורשל קשורה קשר הדוק למכון ויצמן
• פרופ אריה ורשל, בוגר הטכניון ומכון ויצמן וכיום בקליפורניה ופרופ’ מייקל לויט חוקר אורח במכון זכו בפרס נובל לכימיה ביחד עם מרטין קרפלוס

תמונה מספרת יותר מאלף מילים – אולם לא את הכול

בתור שלב ראשון במיזם זה אתה ככל הנראה תפנה לרשת האינטרנט ותחפש תמונה תלת-ממדית של החלבונים האחראים על מנגנון הפוטוסינתזה. תמונות אלו זמינות באופן חופשי בתוך מאגרי-מידע נרחבים ברשת האינטרנט. במחשב שלך עצמו תוכל לפתל ולסובב את התמונה ככל שתחפוץ. התמונה המפורטת תחשוף בפניך מולקולות חלבון ענקיות המורכבות מעשרות אלפי אטומים. אי-שם במרכז התמונה תוכל למצוא את האזור הקטן המכונה ‘מרכז התגובה’. בנקודה זו מולקולות המים עוברות ביקוע. אולם, רק מספר מועט של אטומים מעורבים ישירות בתגובה. בין שאר הפרטים, אתה תוכל לזהות ארבעה יוני מנגן, יון אחד של סידן ומספר אטומי חמצן. התמונה מראה בברור היכן ממוקמים האטומים והיונים השונים יחסית אחד לשני, אולם התמונה לא תגיד לנו דבר וחצי דבר באשר לתפקידיהם של מרכיבים אלו. זו השאלה שעליך לפתור באופן מחקרי. בדרך כלשהי, אלקטרונים חייבים לעבור ממולקולת המים ולחבור לארבעה פרוטונים לשם ייצור מולקולת מימן. כיצד בדיוק זה מתרחש?

כמעט ובלתי אפשרי למפות את פרטי הפרטים של תהליך מורכב זה בעזרת שיטות כימיה רגילות. אירועים רבים מספור מתרחשים בחלקיק הזמן של מילישנייה – סקלת זמנים השכיחה ברוב סוגי הניסויים המתרחשים במבחנה. מהתמונה הנמצאת במחשב שלך גם קשה להבין כיצד מתרחש בדיוק התהליך, מאחר והתמונה עצמה נלקחה כאשר החלבונים היו במצב נייח ודומם. אולם, כאשר אור השמש פוגע בעלים הירוקים, החלבונים מתמלאים באנרגיה והמבנה האטומי כולו משתנה. על מנת להבין את התגובה הכימית, עלייך לדעת בדיוק כיצד נראה מצב עתיר-אנרגיה זה. בדיוק בנקודה זו אתה מזמן את עזרתם של תוכנות המחשב שאת הבסיס להן הניחו שלושת חתני פרס הנובל בכייה לשנת 2013.

תיאוריה ומעשה – מנגנון הפריה הדדי מוצלח
בעזרת סוג זה של תוכנה אתה תוכל לחשב מספר מסלולי תגובה מתקבלים על הדעת. פעולה זו מכונה הדמיה (sim¬ulation) או מידול (modeling). בדרך זו תוכל לקבל מושג באשר לתפקידים המוגדרים שמבצעים האטומים השונים בשלבים השונים של התגובה הכימית. וכאשר יש בידך את מסלול התגובה הסביר הממוחשב, קל יותר לבצע ניסויים מעשיים שיוכלו לאשש או להפריך את תוצאות החישוב. תוצאות ניסויים מעשיים אלו, בתורן, יוכלו להצמיח רמזים חדשים שיובילו להדמיות טובות יותר – התיאוריה והמעשה מפרים ומקדמים זה את זה. כתוצאה מכך, כימאים מקדישים היום הרבה יותר זמן מול מסך המחשב שלהם מאשר במבחנות הניסויים.

אז, מה כה מיוחד בנוגע לתוכנות המחשב שעבורן ניתן פרס הנובל לכימיה לשנת 2013?

משלבים את הטוב משני העולמות

בעבר, כאשר כימאים רצו לדמות מולקולות במחשבים, הם השתמשו בתוכנות שהיו מבוססות או על חוקי הפיזיקה הניוטונית או על חוקי הפיזיקה הקוונטית. לכל אחד מסוגי תוכנות אלו היו נקודות חוזק ונקודות חולשה. התוכנות הקלאסיות יכלו לחשב ולעבד מולקולות כימיות גדולות. הן יכלו להציג מולקולות רק במצבן הנייח והדומם, אולם יחד עם זאת הם סיפקו לכימאים ייצוג די טוב באשר למיקומם של האטומים השונים שבמולקולות. אולם, תוכנות אלו לא אפשרו לדמות תגובות כימיות. במהלך התגובה, המולקולות נטענות באנרגיה; הם עוברות עירור אנרגטי. הפיזיקה הקלאסית לא מצליחה להתמודד עם מצבים שכאלו, ומכאן מגבלתה העיקרית.

כאשר כימאים רצו לדמות תגובות כימיות, הם נאלצו לפנות לפיזיקה קוונטית; התיאוריה הדואלית קובעת כי אלקטרונים יכולים להתקיים בו זמנית הן כחלקיקים והן כגלים. עוצמתה של הפיזיקה הקוונטית טמונה בכך שהיא בלתי משוחדת והמודל לא תלוי בהשקפותיו של המדען. כתוצאה מכך, ההדמיות הממוחשבות הן הרבה יותר ריאליות. החיסרון הוא בכך שחישובים אלו מחייבים שימוש בכוח מחשוב עצום. המחשב נדרש לעבד את מצבו של כל אלקטרון ואלקטרון וכל גרעין הנמצא באטומי המולקולה. מצב זה יכול להיות מושווה למספר הפיקסלים בתמונה דיגיטלית. כמות גדולה של פיקסלים תספק לך רזולוציה גבוהה, אך יחד עם זאת היא תחייב אותך להשתמש במשאבי מחשוב גדולים יותר. באופן דומה, חישובים המבוססים על פיזיקה קוונטית מאפשרים קבלת פרטי פרטים של תהליכים כימיים, אולם הם מחייבים שימוש בכוח מחשוב גדול. בשנות השבעים משמעותה של מגבלה זו הייתה כי מדענים יוכלו לבצע חישובים על מולקולות קטנות בלבד. בחישוביהם אלו, המדענים גם נאלצו להתעלם מיחסי-גומלין של המולקולות עם הסביבה שלהם, למרות שתגובות כימיות בחיים האמתיים מתרחשות לרוב בתמיסה מסוג שהיא. לפיכך, אם מדענים רצו שחישוביהם יכללו גם את השפעות הממס על התגובה, הם נאלצו להמתין עשורים לקבלת התוצאות.

וכך, כימיה קלאסית וכימיה קוונטית היו נבדלות מטבען, ובבחינות מסוימות אפילו מנוגדות זו לזו. אולם, חתני פרס הנובל בכימיה לשנת 2013 הצליחו ליצור גשר בין שני עולמות כימיה אלו. במודלים הממוחשבים שלהם, חוקי ניוטון והתפוח שלו שיתפו פעולה עם שרדינגר והחתול שלו.

כימיה קוונטית משתפת פעולה עם הכימיה הקלאסית

הצעד הראשון לעבר שיתוף פעולה זה התרחש בתחילת שנות השבעים במעבדתו של מרטין קרפלוס באוניברסיטת הרווארד בארה”ב. קרפלוס היה נטוע היטב בעולם הקוונטי. קבוצת המחקר שלו פיתחה תוכנות מחשב שהצליחו לדמות תגובות כימיות בסיוע של עקרונות מהכימיה הקוונטית. בנוסף, הוא פיתח את ‘משוואת קרפלוס’ (מוויקיפדיה) המשמשת בתהודה מגנטית גרעינית (NMR); שיטה ידועה בקרב כימאים הנסמכת על התכונות הכימיות קוונטיות של מולקולות. עם השלמת מחקר הדוקטור שלו במכון ויצמן למדע ברחובות, ישראל, אריה ורשל הגיע למעבדתו של קרפלוס בשנת 1970. במכון היה מחשב עוצמתי שכונה ‘גולם’ על שם דמות ידועה בפולקלור היהודי. תוך שימוש במחשב זה, אריה ורשל ומייקל לויט פיתחו תוכנת מחשב פורצת דרך על בסיס התיאוריות הקלאסיות. התוכנה אפשרה מידול של כל סוגי המולקולות, אפילו מולקולות ביולוגיות גדולות.

כאשר אריה ורשל הצטרף למרטין קרפלוס בהרווארד, הוא הביא עמו את תוכנת המחשב שפיתח במכון וויצמן. מנקודת התחלה זו, הם פיתחו יחדיו סוג חדש של תוכנה שביצעה סוגים שונים של חישובים על אלקטרונים שונים. ברוב המולקולות כל אלקטרון חג סביב גרעין אטום מוגדר. אולם, בחלק מהמולקולות, אלקטרונים מסוימים יכולים לנוע מסביב למספר גרעיני אטומים. ניתן למצוא סוג כזה של ‘אלקטרונים חופשיים’, לדוגמה, במולקולת הרטינל (retinal), שהיא מולקולה המעוגנת ברשתית של העין. קרפלוס הביע עניין רב מזה זמן ממושך ברטינל מאחר והתכונות הכימיות-קוונטיות של מולקולה זו משפיעות על פונקציות ביולוגיות; כאשר אור פוגע ברשתית, האלקטרונים החופשיים שבמולקולת הרטינל סופגים אנרגיה נוספת המביאה לשינוי במבנה המולקולה. זהו השלב הראשון של הראייה האנושית.

בסופם של מאמצים רבים, קרפלוס וורשל הצליחו למדל את מולקולת הרטינל. יחד עם זאת, הם החלו את מחקרם זה עם מולקולות דומות בעלות מבנה פשוט יותר. הם פיתחו תוכנת מחשב הנסמכת על פיזיקת הקוונטים בבואה לחשב את מצבם של האלקטרונים החופשיים, תוך שהם מיישמים תיאוריות קלאסיות פשוטות יותר עבור כל שאר האלקטרונים וכל גרעיני האטומים שבמולקולה. בשנת 1972 הם פרסמו את ממצאי מחקרם זה. זו הייתה הפעם הראשונה שחוקר כלשהו הצליח להביא לשיתוף פעולה כימי בין הפיזיקה הקלאסית לפיזיקה הקוונטית. התוכנה אומנם הייתה פורצת דרך, אך גם כללה מגבלה אחת – היא יכלה לטפל רק במולקולות בעלות סימטריית ראי.

תוכנה אוניברסלית לחישוב הכימיה של החיים

לאחר שנתיים באוניברסיטת הרווארד, אריה ורשל התאחד עם מייקל לויט. לויט השלים זה עתה את מחקר הדוקטור שלו באוניברסיטת קיימברידג’ בבריטניה, שהייתה באותו זמן המובילה העולמית בחקר מולקולות ביולוגיות כגון דנ”א, רנ”א וחלבונים. הוא השתמש בתוכנת המחשב הקלאסית שלו על מנת להשיג הבנה טובה יותר באשר למבניהן של מולקולות ביולוגיות. המגבלות נותרו בעינן, בעיקר האפשרות לבחון מולקולות במצבן הדומם.

לויט וורשל שאפו לגדולות – הם ביקשו לפתח תוכנה שתוכל לשמש בחקר אנזימים, שהם חלבונים השולטים ומקדמים תגובות כימיות ביצורים חיים. כבר בהיותו סטודנט צעיר, ורשל התחיל להתעניין בפעילותם של אנזימים. שיתוף הפעולה ויחסי הגומלין שבין אנזימים הם המאפשרים את קיומם של החיים – הם מבקרים הלכה למעשה את כל התגובות הכימיות בגוף החי. אם מעוניינים להבין את החיים – חייבים להבין את פעילת האנזימים.

על מנת שתתאפשר הדמיה של תגובות אנזימטיות, לויט וורשל נדרשו להפוך את שיתוף הפעולה שבין הכימיה הקלאסית לבין הכימיה הקוונטית למהודקת יותר. הם נדרשו למספר שנים על מנת להתגבר על כל המכשלות שניצבו בפניהם. הם התחילו את הניסויים שלהם במכון וויצמן שברחובות, אולם כאשר לויט השלים את לימודי הדוקטור שלו מספר שנים לאחר מכן, הוא חזר לקיימברידג’ שם הוא הצטרף לורשל. בשנת 1976 הם השיגו את מטרתם ופרסמו את המודל הממוחשב הראשון של תגובה אנזימטית. התוכנה שלהם הייתה מהפכנית מאחר וניתן היה להשתמש בה עבר כל סוג של מולקולה. גודל המולקולה כבר לא היווה מגבלה בתחום ההדמיה של תגובות כימיות.

מתמקדים בלב הפעולה

כאשר כימאים מבצעים היום מידול של תהליכים כימיים, הם מיישמים את כוח המחשוב בדיוק במקום בו הוא נדרש – הם עורכים חישובים פיזיקליים-קוונטיים תובעניים רק על אותם אלקטרונים וגרעיני אטומים המשפיעים ישירות על התהליך הכימי. בדרך זו, הם מקבלים את הרזולוציה הגבוהה ביותר במקום המדויק בו היא חשובה. שאר חלקי המולקולות עוברים מידול בעזרת משוואות קלאסיות. על מנת שלא לבזבז כוח מחשוב, מייקל לוט ואריה ורשל הפחיתו את עומס העבודה שהושם על המחשב עוד יותר – המחשב אינו צריך להתייחס לכל אטום פרטני באזורים שאינם נמצאים בחלקים החשובים של המולקולה. הם הראו כי ניתן למזג מספר אטומים במהלך החישובים.

בחישובים הנעשים כיום, המדענים הוסיפו שכבה שלישית של הדמיה – באופן פשטני למדי המחשב יכול, באותם אזורים הרחוקים מהתהליך הכימי, לצרור יחדיו אטומים ומולקולות ולהתייחס לצברים אלו כאל מסה הומוגנית. בקהילה המדעית מנגנון זה מוגדר כתווך הדיאלקטרי.

המרחק שאליו תגענה יעילות ההדמיות תלויה בעתיד
העובדה כי מדענים בימינו אלו משתמשים במחשבים על מנת לבצע ניסויים הביאה להבנה מעמיקה עוד יותר באשר להתנהגותם של תהליכים כימיים. העוצמה של השיטות שפיתחו מרטין קרפלוס, מייקל לויט ואריה ורשל טמונה בכך שהן אוניברסליות. ניתן להשתמש בהן לחקר כל סוגי הכימיה; החל ממולקולות בעולם החי וכלה בתהליכים כימיים המשמשים בתעשייה. בזכות שיטות אלו מדענים יכולים לשפר תאים סולאריים, זרזים כימיים במנועי רכבים ואפילו תרופות.

יחד עם זאת, ההתקדמות בתחום זה לא תיפסק כאן. באחד מפרסומיו, מייקל לויט תיאר את אחד מחלומותיו – לבצע הדמיה של אורגניזם חי ברמה המולקולארית. זהו רעיון מפתה. המודלים הממוחשבים שפותחו ע”י שלושת חתני פרס הנובל בכימיה לשנת 2013 הם כלים עוצמתיים ביותר. היקף היישומים וההבנה והידע האנושי ששיטות אלו תוכלנה לקדם נותרו ביד העתיד.