ЛАС-ВЕГАС. Химик-теоретик из Университета Дьюка описал разработку и применение метода «разделяй и властвуй», требующего гораздо меньшего количества вычислений для моделирования электронной структуры больших молекул.
Вэйтао Ян описал технику в двух приглашенных лекциях, подготовленных для ежегодного национального собрания Американского химического общества, которое состоится на этой неделе. Его исследования поддерживаются Национальным институтом здравоохранения и Национальным научным фондом.
Пока Ян не разработал свой вычислительный метод, химики-теоретики, пытавшиеся точно описать электронную структуру больших молекул, были загнаны в тупик из-за ошеломляющего размера своих расчетов.
Чтобы показать, как взаимодействуют полчища электронов в большой молекуле, ученые должны использовать сложные уравнения квантовой механики, сказал Ян, доцент кафедры химии. Такое взаимодействие определяет форму молекулы и возможные функции.
Квантовая механика описывает поведение электронов и других субатомных частиц, настолько крошечных, что они уже не ведут себя как повседневные объекты. Например, они могут действовать и как волны, и как точечные частицы, а их местоположение в любой данный момент обычно можно определить только как вероятность.
«Электроны не вписываются в нашу картину классического мира», - сказал Ян в интервью. «Нам нужна квантовая механика для описания электронов. И когда мы это сделаем, мы сможем описать
химические реакции, разрыв и образование химических связей и многие другие интересные процессы в химии и биологии."
Но традиционно химики, выполняющие такие квантово-механические расчеты, должны были смотреть на картину в целом. «Если они хотели рассчитать одну часть молекулы, им нужно было рассчитать всю молекулу одновременно», - сказал Ян.
Такие расчеты были невозможны для молекул, состоящих более чем из нескольких сотен атомов, отметил он, потому что требуемые вычисления возрастали на куб от числа этих атомов. «Скоро у вас закончатся возможности компьютера», - добавил он.
Ян и его коллеги изменили все это, представив метод, который позволяет значительно ускорить такие большие квантово-механические вычисления, разбив проблему.
«Мы называем это методом «разделяй и властвуй», - сказал он. «В сущности, метод позволяет нам вычислять молекулу по частям очень сложным способом. Такое разделение возможно, потому что мы, химики, знаем, что свойства молекулы очень локализованы. И эти свойства зависят от локальной структуры."
Вычисления, выполненные по методу Янга, увеличиваются линейно с размером молекулы, а не возрастают на куб размера молекулы. «Если расчет для 100 атомов занимает час, то расчет для 200 займет два часа», - пояснил он.«Так что это намного быстрее. Мы можем выполнять вычисления на наших рабочих станциях, которые раньше были невозможны».
Ян впервые сообщил о своей концепции в статье, озаглавленной «Прямой расчет электронной плотности в теории функционала плотности» в выпуске журнала Physical Review Letters от 18 марта 1991 года. Его исследовательская группа в Дьюке впоследствии сообщала об усовершенствованиях и применениях метода в статьях в других журналах.
Соисследователи Янга включают Тайсунг Ли, в настоящее время постдокторант в Университете Дьюка, и Даррин Йорк, в настоящее время постдокторант Национального института здравоохранения в Гарварде.
Поскольку метод Янга так точно предсказывает свойства электрона, он может предоставить исследователям более точную картину поведения больших молекул, таких как белки. «Мы думаем, что белки состоят из атомов, - сказал он. «Но у этих атомов есть электроны, а электроны являются опосредующими силами между атомами."
В совместном исследовании с Университетом Северной Каролины в Чапел-Хилл метод Янга был недавно использован для выявления расположения некоторых атомов водорода в ферменте под названием цитидиндезаминаза. Он сказал, что знание расположения двух конкретных атомов водорода очень важно для освещения деталей механизма действия фермента.
Знание того, как фермент способствует химическим реакциям, может иметь важное терапевтическое применение в противоопухолевых препаратах, сказал он.
Атомы водорода, состоящие из одного электрона и протона, слишком легкие, чтобы их можно было обнаружить с помощью стандартного аналитического процесса картирования белков, называемого рентгеновской кристаллографией. Этот тест выявляет только более тяжелые атомы в белке.
«Поэтому невозможно точно сказать, где был весь водород из экспериментов», - сказал Ян. "Можно только догадываться. Но наши расчеты прибили водород."
В этой работе он сотрудничает с биофизиком-теоретиком UNC-CH Яном Хермансом и биохимиком-экспериментатором Чарльзом Картером, а также с совместным исследователем с докторской степенью Джеймсом Льюисом.