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09.10.13 Entwicklung von Modellen für Simulation komplexer, chemischer Systeme
Nobelpreis Chemie 2013 für computerunterstützte Simulation chemischer Prozesse
Der Nobelpreis wird an Martin Karplus, Michael Levitt und Arieh Warshel verliehen
Abb. 1: Um zu verstehen, wie Lysozyme eine Zuckerkette spalten,
ist es notwendig, nur die wichtigen Teile des Enzyms mit Hilfe quantenchemischer
Modelle zu simulieren, wohingegen der Grossteil der Umgebung mit Hilfe von
molekularer Mechanik abgedeckt werden.
Quelle: nobelprize.org, adaptiert von A. Warshel and M. Levitt, J. Mol. Biol. 103, 227, 1976.
Genaue Kenntnisse chemischer Prozesse erlauben die Optimierung von Katalysatoren, Wirkstoffen und Solarzellen
Chemiker auf der ganze Welt führen nahezu täglich Experimente am Computer durch. Mit Hilfe von Methoden, die von Martin Karplus, Michael Levitt und Arieh Warshel in den 1970er Jahren entwickelt wurden, können heute komplexe, chemische Prozesse in höchster Auflösung simuliert werden, die für das menschliche Auge unsichtbar bleiben.
Das beste zweier Welten kombinieren
Lange Zeit konnten Wissenschaftler entweder Software basierend auf klassischer Netwon'scher Physik oder Quantphysik nutzen. Beide Ansätze hatten Stärken und Schwächen. Die frühen Programme, die auf klassischer Physik beruhten, konnten bereits die räumliche Anordnung von Atomen in grossen chemischen Molekülen vorhersagen, allerdings war es unmöglich, chemischen Reaktionen simulieren. In einer Reaktion werden Moleküle angeregt, doch mit klassischer Physik können solche energiereichen Zustände nicht mehr simuliert werden.
Falls Chemiker Reaktionen simulieren wollen, müssen sie sich der Quantenphysik zuwenden. Das bedeutet: Elektronen können sowohl Partikel als auch Wellen sein. Man erinnere sich hierbei an Schrödingers Katze, die sowohl lebendig als auch tot sein kann. Quantenphysik liefert in Simulationen unverfälschte Ergebnisse, die keinerlei Annahmen der Wissenschaftler beinhaltet. Aber sie benötigt unheimliche Rechenleistung, da jedes einzelne Elektron und jeder Atomkern berechnet werden muss. Somit waren Wissenschaftler in den 70er Jahren auf sehr kleine Moleküle limitiert. Sie waren zudem gezwungen, die ganze Umgebung des Moleküls wegzulassen, obwohl chemische Reaktionen in Lösung durchgeführt werden. Hätte man Lösungsmittelmoleküle berücksichtigt, so hätten Berechnungen womöglich mehr als 10 Jahre benötigt.
Die Leistung der Nobelpreisträger der Chemie 2013 ist, die Methoden klassischer Mechanik mit der Quantenchemie zu vereinen - die so fundamental verschieden sind - und damit Berechnungen komplexer Systeme überhaupt erst möglich gemacht zu haben. In solchen Computermodellen kooperieren sozusagen Newtons Apfel mit Schrödingers Katze.
Quantenchemie mit klassischer Physik vereint
Ein erster Schritt, mehrere Modelle zu vereinen, wurde Anfang der 70er Jahre von Martin Karplus und Mitarbeitern unternommen. Die Forschungsgruppe in Harvard hatte sich quantenphysikalischer Methoden verschrieben, chemische Reaktionen zu simulieren. Karplus entwickelte aber auch die "Karplus-Beziehung", die heute in der NMR Verwendung findet. Sie ermöglicht die Abschätzung von Torsionswinkeln aufgrund von Kopplungskonstanten. Nach Erhalt seines Doktortitels wurde Arieh Warshel 1970 Teil der Forschungsgruppe von Karplus. Seine vorgängigen Arbeiten am Weizmann Institut in Rehovot (Israel) zusammen mit Michael Levitt ermöglichten die Simulation von sehr grossen Biomolekülen mit Hilfe klassischer Modelle am damaligen Grosscomputer "Golem".
Arieh Warshel brachte das Computermodell mit sich, das auf klassischen Methoden basierte. Er und Karplus entwickelten daraufhin ein Programm, das half, den Fluss von Elektronen zu simulieren. Es gibt einige Prozesse z.B. in Retinal (ein Molekül, das eingebettet in der Retina die visuelle Wahrnehmung überhaupt erst ermöglicht), in denen freie Elektronen übertragen werden. In Retinal beeinflussen quantenchemische Eigenschaften die räumliche Anordnung und damit die biologische Funktion des Moleküls.
Vielleicht gelang es Karplus und Warshel sogar, Retinal zu modellieren. Aber sie starteten zuerst mit deutlich einfacheren Strukturen. Ihr Computerprogramm simulierte freie Elektronen mit Hilfe quantenmechanischer Modelle und verwendeten klassische Physik für alle anderen Elektronen und die Atomkerne. 1972 wurden Ergebnisse dieser ersten Zusammenarbeit unterschiedlicher physikalischer Modelle publiziert. Das Programm wurde somit zum Durchbruch, allerdings erlaubte es erst die Simulation von kleinen Molekülen mit Spiegelsymmetrie.
Nach zwei Jahren in Harvard kam Arieh Warshel zurück zu Michael Levitt. Levitt, der gerade seinen Doktortitel von der Universität Cambridge (UK) erhielt, der damals führenden Universität in der Erforschung von Biomolekülen wie DNA, RNA und Proteinen, nutzte seine Programme mittlerweile, um das Aussehen biologischer Moleküle zu simulieren. Allerdings waren sie auf Moleküle in ihrem Grundzustand beschränkt. Die Simulation komplexer Vorgänge in Enzymen benötigte eine deutlich bessere Kooperation der unterschiedlichen Methoden in den Computerprogrammen. Erst 1976 konnten sie ein computergeneriertes Modell einer enzymatischen Reaktion publizieren.
Quelle:
Bitte zitieren Sie die Seite wie folgt:
Nobelpreis Chemie 2013 für
computerunterstützte Simulation chemischer Prozesse
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2012/okt/nobelpreis-2013.shtm)
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