Giải Nobel Hóa học 2013 (tiếp theo và hết) - Các công trình

(Ghi chú: ba entry trong loạt này được sắp xếp theo mức độ khó hiểu tăng dần, hai entry trước có sử dụng một số thông tin từ Reuter và báo chí mạng, riêng entry này được dịch từ phần mô tả các công trình của nhóm được giải trong tài liệu chính thức do Viện Khoa Học Hoàng Gia Thụy Điển công bố.)

Điều quan trọng trong mô hình hóa khi sử dụng cả Cơ học cổ điển và Cơ học lượng tử là việc thể hiện hai vùng này trong hệ thống mô hình được thực hiện thế nào để chúng có thể tương tác một cách có ý nghĩa vật lý. Thông thường, toàn bộ hệ thống phân tử được nhúng trong một chất điện môi liên tục, hình 1 minh họa một hệ thống như vậy.

                                   

                      Hình 1.  Multi-copper-oxidase nhúng trong nước.

Bước đầu tiên trong việc phát triển mô hình đa phạm vi được diễn ra khi Arieh Warshel đến thăm Martin Karplus tại Đại học Harvard vào đầu những năm 70. Warshel đã có hiểu biết sẵn về thế năng liên phân tử và trong phân tử còn Karplus đã có kinh nghiệm Hóa lượng tử cần thiết. Mục đích của họ khi đó là nghiên cứu các phân tử tương tự như các phân tử ở võng mạc. Đảm nhiệm khả năng nhìn của động vật, chất chromophore này đã thu hút sự chú ý của Karplus. Dựa một phần trên những ý tưởng được Honig và Karplus trình bày trước đó, Karplus và Warshel xây dựng một chương trình máy tính có thể tính toán phổ electron π và quang phổ dao động của một số phân tử phẳng với kết quả tuyệt vời. Cơ sở cho cách tiếp cận này là những ảnh hưởng của electron σ và hạt nhân đã được mô hình hóa sử dụng phương pháp cổ điển và electron π được mô phỏng bằng PPP ( Pariser - Parr - Pople ) cách tiếp cận lượng tử hóa đã được chỉnh sửa cho kết quả tốt nhất. Hình 2 cho thấy một phân tử điển hình trong nghiên cứu đó.

      Hình 2 . Các phân tử đối xứng gương 1,6 -diphenyl -1,3,5 - hexatriene mà Martin Karplus và Arieh Warshel nghiên cứu.

Đây là công trình đầu tiên cho thấy có thể xây dựng phương pháp lai kết hợp những ưu điểm của phương pháp cổ điển và phương pháp lượng tử để mô tả hệ thống hóa học phức tạp. Phương pháp đặc biệt này được giới hạn trong các hệ thống phẳng mà sự đối xứng tạo ra một sự tách biệt tự nhiên giữa các electron π đã được mô tả bằng Hóa học lượng tử và các electron σ đã được xử lý bởi mô hình cổ điển, nhưng đây không phải là giới hạn chính của nghiên cứu, như đã được thể hiện một vài năm sau, vào năm 1976. 

Sau đó Arieh Warshel và Michel Levitt cho thấy có thể xây dựng một chương trình chung cho một phân vùng giữa các electron trong các mô hình cổ điển và các electron được mô tả một cách rõ ràng bằng mô hình hóa học lượng tử. Điều này đã được thực hiện trong nghiên cứu của họ về  “Chất điện môi, tĩnh điện và sự làm ổn định trong không gian của Ion Carbon trong các phản ứng của Lysosyme". Nhiều vấn đề cơ bản cần giải quyết để cho một tiến trình như vậy làm việc. Các dạng khớp nối năng lượng mà mô phỏng tương tác giữa hệ thống cổ điển và hệ thống lượng tử phải được xây dựng, cũng như các khớp nối giữa các bộ phận cổ điển và lượng tử của hệ thống với điện môi xung quanh . Hệ thống nghiên cứu được biểu diễn trên hình 3.

Hình 3. Để hiểu làm thế nào lysozyme phân cắt một chuỗi glycoside, việc mô hình chỉ có những phần liên quan của hệ thống sử dụng Hóa học lượng tử là cần thiết, trong khi hầu hết các phần xung quanh có thể được xử lý bằng cơ học phân tử hoặc một mô hình liên tục .

Trong thời gian giữa những lần xuất bản của hai công trình nói trên (1975), một bước quan trọng làm cho các hệ thống lớn hơn có thể được nghiên cứu, Michel Levitt và Arieh Warshel đã tiến hành trong nghiên cứu của họ về sự gấp nếp của protein là chất ức chế trypsin trong tuyến tụy bò ( BPTI ). Dạng đơn giản hóa của hệ thống nghiên cứu được sử dụng trong công trình này được minh họa trong hình 4.

Hình 4 . Cấu trúc chi tiết của một chuỗi polypeptide (hình trên) được đơn giản hóa bằng cách gán mỗi axit amin còn lại với thể tích tương tác (giữa) và kết quả chuỗi - của - ngọc trai như cấu trúc (dưới) được sử dụng để mô phỏng .

Trong công trình này, sự gấp nếp của protein từ một thể cấu tạo mở đến một thể cấu tạo gấp đã được nghiên cứu, và người ta thấy rằng có thể nhóm các nguyên tử trong một hệ thống cổ điển thành các đơn vị cứng nhắc để xử lý chúng theo mô hình cổ điển. Rõ ràng, cách này giúp việc mô phỏng hệ thống tiếp cận tốc độ cao hơn.