Энэ жилийн химийн Нобелийн шагналыг молекул ба тэдний үйлдлийн компьютерийн модельчлалын арга барил бүтээснийх нь төлөө Мартин Карплус, Майкл Левитт, Арье Уоршел нарт олгожээ. Карплюс Вена хотод төрсөн ба одоо Францын Страсбург ба Америкийн Харвардын их сургуулиудад ажилладаг. Левитт нь Их Британийн уугуул бөгөөд Америкийн Стэнфордын их сургуулийн анагаахын сургуулийн ажилтан. Уоршел нь Израильд төрсөн ба одоо Өмнөд Калифорнийн их сургууьд багшилж байна. Номинацийн тогтоосон нэр байгаа ч энд химиэс гадна физик, биологи, анагаах бүр цаашлаад информацийн  технологи хүртэл багтжээ. Энэ чиглэл шинжлэх ухаанд хэрхэн гарч ирсэн, яагаад Нобелийн хороо энэ салбарын анхдагч нарыг үнэлэн цэгнэх болов?

Молекулийн моделийг бүтээснээр туршилт дээр ажиглагдахгүй  молекулуудын үйлдлийг харж болохоор болов. Масштабтай, нано ч биш пикосекундын завсрын нэгдэл ч судлаачдын нүдэнд тодорхой болов. Үүний зэрэгцээ модельчлал нь байгальд үл орших синтезээр гарган авсан эм зэргийн молекулууд хэрхэн хамтран үйлчлэхийг маш нарийнаар гаргах боломжийг өгч байна.

Молекулын үйлдлийг хэлэх боломжийг гаргасан квантын механикийн хууль гарч ирснээс  хойш модельчлал гарч ирэв. Боломж бол байсан. Шредингерийн тэгштгэл  гарч ирснээр онолын хувьд ус спирт зэргийн хайлах температурыг математикийн аргаар шууд хэлэх боломжоос гадна уургийн гурван хэмжилт дүрсийг дараалалтай бүтээх тооцоог бий болгосон юм. Гэхдээ тэнд хоёр практик асуудал гарч байгаа. Нэгдүгээрт, түүнийг бүтээхийн тулд компьютерийг (мөн л квантын механикаас хойш бүтсэн) хийх хэрэгтэй байв. Хоёрдугаарт, тэр компьютерууд нь зөгнөлтийн гэхээр үйлдлийн чадвартай байх ёстой. Тэр нь үнэн хэрэгтээ одоо ч ирээдүйд ч гарч ирэх боломжгүй. Тэгвэл яагаад өнөөгийн Нобель олгодох болов?

Молекулын модельчлал нь хэрхэн  бий болж, тэр төрхөөрөө өнөөг хүртэл байгаад л хариулт бий. Энэ урлаг нь хэтэрхий ээдрээтэй, хэтэрхий энгийн хоёрын хоорондын зөв сонголт  юм. Нэг үгээр бол  хялбарчлах урлаг гэж болно. Албан ёсоор молекулыг квантын хууль удирдана, гэхдээ тэр нь молекулын үйлдэлд тэр болгон нөлөөлөхгүй. Тиймээс ч загварчлахад молекулын ихэнх нь хуурай усан санд хамтран орших пластик бөмбөлөг шиг л энгийн ямар нэгэн биет мэтээр төсөөлөгддөг. Нөгөө талаасаа бүрэн хэмжээний химийн урвал хийгдэж байгаа газруудад тийм хялбарчлал байх алгагүй.  

 Шинэ Нобелийн шагналтнуудын гавъяа нь тэд молекулын харилцан үйлчилгээг салгаж, тэднийг янз бүрийн биеийн хүчний нарийн тооцоотойгоор загварчлах болгосонд л байгаа ажээ. Тэр загварыг бүтээх анхны компьютерийн программуудыг тэд бий болгож чадлаа.

Загварт молекулын үйлдлийг хэрхэн эрдэмтэд салган тусгаарлаж чадсаныг  1972 онд нийтлүүлсэн Карплус, Левитт хоёрын  хамтарсан анхны бүтээлүүдийн нэгэнд харуулсан байлаа. Өнөөгийн шагналтнууд нь холбогдлынхоо хүчээр хамгийн хавтгай молекул болох дифенилгексатриены молекулын ер бусын спекторыг загварчилсан байв. Эрдэмтэд хэрэв бүх молекулыг пи-цахим бичил хэсгүүд ба үлдсэн бусдыг нь салган тусгаарлаж чадвал пи цахим бичлийг квантын тооцоогоор, бусдыг нь сонгодог механик аргаар модельчилж болно хэмээн үзүүлж чадсан юм. Тийм хандлага нь зөв гэдгийг спектроскопын үр дүн харуулж, таамаглалтай бүрэн нийцсэн байлаа.

Молекулын модельчлал нь үнэндээ бол ямар нэгэн ердийн туршилтын аргаар авах аргагүй мэдээллийг өгөх тоон туршилт юм. Модельчилснаар  молекулууд нь хэрхэн  хөдөлж, хэрхэн хамтран үйлчилж буйг харах боломжийг өгч байна. Утгаараа бол Ньютоны сонгомол тэгшитгэлийг  харилцан үйлчилгээтэй хэсгүүдийн олон тоогоор  шийдэж буйг молекулын динамик харуулдаг.  Орчин үеийн модель дахь саяар яригдах атомуудын хувьд тэр нь гурван сая тэгшитгэл болж байна. Тэр нь квадратад боломжийн  харилцан үйлчилгээ гурван сая байна гэсэн үг.  Энэ нь асар их тооцоо тиймээс анхны моделиуд аль болох энгийн системээр бүтээгдсэн байлаа.

Анхны тооцоолон бодох машинууд гарч ирсэн  цагаар энэ чиглэл үүсэн хөгжиж эхэлжээ.  Тэр нь  лампаар ажилладаг машинууд байсан ба түүн дээр анхны модельчлалд орсон биетүүд нь шингэн байжээ. Тэр үед бараг байгаагүй хийн болон хатуу биетийн онолоос шингэн биетийн онол нь  илүү хөгжиж байснаар үүнийг тайлбарлаж болно.  Тиймээс шингэн биетийн модельчлал эрдэмтдэд сонирхолтой байв. Тавиад онуудад шингэн аргон моделийн дуртай биет байсан юм. Аргоны атомуудын харилцан үйлчилгээг Леннард-Жонсийн потенциал гэх энгийн томъёогоор  бичиж байлаа.

Полимерүүд гарч ирэх цагаар биологийн молекудын динамикт сонирхол бий болов. Нэн түрүүнд уургийн молекул анхаарагдаж эхэлжээ. Полимерүүдийн үйлдэл нь шингэнээс огт өөр  бөгөөд полимерт янз бүрийн группууд нь химийн холбоогоор холбогдсон байв.

Энэ цагаар америк эрдэмтэд маш хурдтайгаар урагшилсан юм. Мартин Карплус ба түүний  хамтрагч нар полимер, биополимерийн судалгаанд молекулын динамикийн аргыг оруулан эрчимтэй хөгжүүлжээ.

Эдгээр жилүүдэд   эрдэмтдийн ажиглалтад байсан системийн ээдрээ улам нарийссан юм. Далаад онуудын сүүлчээр уурагны ганц нэг  молекулын динамик  яригдаж байсан ба  тэр нь боломжийн ирмэгт ирсэн  дээд хэмжээний тооцоо байсан. IMB мэтийн компаниуд  өөрсдийн имижийн рекламд тэдгээр тооцоог ашиглаж байлаа. Өдгөө экзофлопын гэх маш өндөр зэрэглэлийн тооцоотой супер  компьютерүүд гарч ирснээр энэ чиглэл маш эрчимтэй хөгжиж байна.

Одоо модельчлагдаж байгаа систем нь сая хүртэлх атомын систем. Тэр нь тусгай нэг уургийг биш бүхэл бүтэн уургийн цогцолборыг липедийн мембран дээр бас усны асар их тооны молекултайгаар үзүүлэх болж байна. Модельчлалд оруулах үйлдлийн хугацаа маш хүчтэй нэмэгдлээ.  Өмнө нь пикосекундаар (10-12) яригдаж байсан бол одоо секундын аравны, зууны хувийн талаар тооцогдох боллоо. Эдгээр нь энгийн тоо биш, зарчмын эгшин болж байна. Учир нь системийн загварчлал нь үр дүнг ашиглах салбараас хамаарах болж байгаа. Хэрэв пикосекунд гэвэл тэр нь физик, микросекунд байгаа бол биологи болох жишээтэй.

Харвардын  их сургууль Карплус ба түүний нөхдүүд атомуудын хоорондын боломжийн талбар ба молекул дахь чөлөөт байдлын янз бүрийн төвшин зэргийн хэмжилт тохиролцооны тал дээр ихээхэн зүйлийг хийсэн юм. Тэр нь молекулын хөдөлгөөний чухал эгшин бөгөөд түүний хэсэг энэ чиглэлээр хүчтэй урагшилжээ. Өдгөө эдгээр хүчний талбайн хэд хэдэн хувилбар байгаа ч Харвардын загвар нь  өнөө байгаа загварчлалаас хамгийн бүрэн хэмжээний бөгөөд олон хүчин зүйлийг оруулан тооцсон байгаа.

Карплус ба түүний нөхдийн бүтээл хоосон газраас гарч ирээгүй. Энд усны динамик дээр их ажилласан Френк Стиллинжерийг  дурсах хэрэгтэй. Гэлээ ч Карплусын бүлэг  биологийн салбарт тэргүүлэх үүрэг гүйцэтгэсэн учраас өнөөгийн Нобелийн шагналыг эзнээ олсон гэж болно.

Левитт, Уоршел хоёр янз бүрийн биетүүд дээр молекулын хөдөлгөөнөөр  ажиллажээ. Рентгений кристаллографт загвар  ашиглах талаар Левитт  олон зүйлийг хийсэн.  Энгийн жишээ татахад, орчин үеийн биохими нь уургийн рентген бүтэцгүйгээр төсөөлөгдөхгүй.

Уоршел нь протоны зөөлтийн загвар дээр  ихээхэн ажиллажээ. Энэ нь биологи дахь чухал үйл ажиллагаа ба фотосинтез, эсийн эрчим хүчний станц болсон митохондрийн  амьсгалд  мөн цэвэр химид  ашиглагддаг. Энд протоны байрлал өөрчлөгдсөн нөхцөлд иситемийн цахим долгион ажиллагаа нь  хувирч байдаг. Тийм үйлдлийн тооцоог хийхэд сонгомол болон квантын тооцоог зэрэг ашигладаг. Тэднийг QM/MM-арга барил (quantum mechanics/molecular mechanics) гэх бөгөөд түүнийг бүтээхэд Уоршел оролцсон юм.

Молекулын модельчлал нь орчин үеийн биологийн  ухааны төрхийг өөрчилсөн чухал хэрэгсэл учраас Нобелийн шагналыг эдгээр эрдэмтдэд олгосон нь зөв зүйтэй байх. Гэхдээ тэднийг Нобелийн шагналтан болно гэж хүлээсэн хүмүүс цөөн байлаа.