WEST LAFAYETTE, Ind. - Химики, которые не могут предсказать, как одни большие сложные биологические молекулы будут реагировать с другими, вскоре могут получить решение из мира вычислительной квантовой физики, говорят исследователи из Университета Пердью.
Используя мощные суперкомпьютеры для анализа взаимодействия десятков электронов, которые вращаются в облаках вокруг этих молекул, группа физиков во главе с Хорхе Х. Родригесом из Purdue обнаружила, что необходимо учитывать квантовое свойство электронов, называемое «спин». получить полное и фундаментальное представление о том, сколько биохимических реакций происходит. В частности, с помощью этого метода можно лучше понять класс белков на основе металлов, который включает гемоглобин и хлорофилл, и их реакции в растениях и животных.
Это открытие не только улучшит наши базовые знания в области биологии, сказал Родригес, но также может помочь ученым в решении ряда практических проблем, таких как выбор лучших потенциальных новых лекарственных соединений из обширной группы кандидатов, процесс, который может обходятся фармацевтическим компаниям в годы работы и миллионы долларов.
«В то время как нам приходилось довольствоваться наблюдением химии живых существ и ее описанием без полного понимания, мы разрабатываем вычислительные инструменты, которые могут предсказать, что произойдет между молекулами до того, как они встретятся в пробирке», - сказал Родригес, который является ассистентом профессора физики в Научном колледже Пердью. «Это исследование не только открывает новую область науки, которая раскрывает, как взаимодействуют металлопротеины и составляющие их частицы, но и квантовая теория, стоящая за ним, также должна позволить нам точно моделировать и предсказывать это поведение только с помощью компьютерного моделирования. Это пример того, как многого можно достичь с помощью междисциплинарной науки».
Родригес является пионером новой области, которую он называет «квантовой биохимией» - области, которая включает в себя как биохимию, так и физику элементарных частиц, которые часто упоминаются среди наиболее сложных предметов, которые изучают студенты-естественники. Обычно эти две дисциплины имеют мало общего. Хотя биохимия занимается взаимодействием между сложными молекулами, которые наши тела используют для основных процессов жизни, эти микроскопически маленькие молекулы, тем не менее, представляют собой гигантские образования по сравнению с более мелкими субатомными частицами, такими как протоны и электроны, которые изучают физики.
«Несмотря на эти различия, есть одна точка пересечения между химией и физикой, которая меня заинтересовала, а именно элементарные частицы, которые вращаются вокруг этих молекул - электроны», - сказал Родригес. «Физикам давно известно, что по законам квантовой механики в нашем организме происходят некоторые химические реакции, которые «запрещены» - например, агемоглобин связывает кислород в наших легких, когда мы дышим. Но тем не менее они случаются. Так как в этих реакциях участвует вращение электрона, мы решили рассмотреть их поближе».
Заряд - знакомое свойство электрона, но не единственное. Электроны также обладают другим квантовым свойством, называемым вращением, и хотя все они заряжены отрицательно, они могут вращаться в одном из двух противоположных направлений - вверх или вниз..
«Природа любит баланс, и вы видите доказательства этого как в заряде, так и в вращении», - сказал Родригес. «Например, электроны с противоположным спином любят образовывать пары друг с другом, когда они летают вокруг ядра. Это позволяет их спинам уравновешивать друг друга, точно так же, как положительные и отрицательные заряды между протонами и электронами. Даже когда у вас есть сотни электронов, образующих огромное облако вокруг сложной молекулы вы все еще видите баланс как заряда, так и спина; мы называем этот баланс «сохранением», и мы рассчитываем, что как в химии, так и в физике он поможет нам понять эти крошечные объекты.
"Но иногда кажется, что электроны в металлопротеинах играют с нами злую шутку. Как мы видим на примере гемоглобина, природа сохраняет электронный заряд, жертвуя этим сохранением спина."
Активный центр гемоглобина содержит железо, один из так называемых переходных металлов. Эти металлы известны тем, что несколько их электронов могут летать вокруг ядра неспаренными.
Когда эритроцит сталкивается с кислородом в наших легких, его гемоглобин способен захватить часть кислорода с некоторыми из этих неспаренных электронов, перенося его к остальной части нашего тела. Но при этом кумулятивный спин системы изменяется несохраняющимся образом, что для физика выглядит так же странно, как падение мяча в воду без всплеска.
«Эта химия жизненно важна для жизни, но физики задаются вопросом, как это может произойти», - сказал Родригес. «Заряд между электронами в связанном кислороде и гемоглобине в конце концов уравновешивается, что имеет смысл для химиков. Но электронный спин всей системы не сохраняется, что заставляет афизиков хмуриться по поводу того, что кажется формально запрещенным процессом. Конечно, нам нужно было больше узнать о природе на микроскопическом уровне».
Поскольку многие из этих предположительно запрещенных реакций связаны с биомолекулами, сосредоточенными на переходных металлах, которые могут переключаться между различными спиновыми состояниями при определенных условиях, Родригес предположил, что именно эта изменчивость спинового состояния влияла на скорость этих реакций. Чтобы выяснить, действительно ли этот эффект, который Родригес называет спин-зависимой реактивностью, был решающим фактором, команда исследователей моделирует скорость реакции с помощью суперкомпьютера, единственного инструмента, способного отслеживать движение такого количества частиц одновременно.
«Суперкомпьютеры позволили нам проверить наши модели на соответствие нашему пониманию влияния спина на реакцию, и наши модели были тщательно проверены экспериментально», - сказал Родригес.«Результаты показывают, что нашего понимания поведения электронов недостаточно для создания виртуальных моделей молекул, которые мы затем можем «реагировать» друг с другом в симуляциях, которые точно предсказывают, что произойдет, когда они встретятся в физическом мире».
Родригес сказал, что этот подход, хотя он все еще находится в зачаточном состоянии, может дать представление о гораздо более важных биологических молекулах, когда он будет доработан.
«Мы находимся в точке, где мы разработали вычислительные инструменты для анализа спин-зависимых процессов биомолекул и применили их к нескольким важным тестовым примерам», - сказал он. «Но наши методы основаны на подходах, которые справедливы для любой молекулярной системы. Поэтому разработанными нами методами в будущем могут быть изучены еще сотни металлопротеинов, представляющих большой научный и практический интерес».
Например, Родригес планирует изучить марганец, участвующий в фотосинтезе, чтобы понять, как вода расщепляется с образованием молекулярного кислорода. Но пока он счастлив, что четыре года работы его команды над проектом дали такие обнадеживающие результаты.
«Мы создаем новую область, которая пытается понять биохимические процессы на самом фундаментальном уровне - на уровне квантовой механики, - сказал он."
Две статьи на эту тему, одна из которых Родригес написала совместно с TeepanisChachiyo из Purdue, опубликованы в выпуске Journal of ChemicalPhysics за эту неделю. Джеффри Лонг, профессор химии Калифорнийского университета в Беркли, прокомментировал работу Родригеса.
«Родригес придумал изящный способ оценки электронных структур в возбужденном состоянии», - сказал он. «Это дает представление о подробных механизмах плохо изученных превращений в неорганических комплексах».