Newton almája és Schrödinger macskája kibékül - a 2013-as kémiai Nobel-díjról

Miért úttörő jelentőségűek a kutatások?
Egy Nobel-díj nem csupán kiemelkedő kutatókhoz, hanem kiemelkedő tudományterületekhez is kapcsolódik. 1998-ban Walter Kohn és John Pople kémiai Nobel-díja kapcsán a kvantumkémiai modellek sikerét és elismerését ünnepelhette a kémikusok, különösen a kvantumkémikusok közössége. 1998-ban a közvélemény talán először szembesült azzal, hogy a hagyományosan kísérleti tudomány, a kémia eszköztára a számítógéppel és a számítógépes modellezéssel bővült. Tizenöt év elteltével a számítógépes kémikusok ismét ünnepelhetnek, idén további három meghatározó tagjuk vehet át Nobel-díjat. Karplus, Levitt és Warshel Nobel-díjat kiérdemlő munkássága a ’60-as évek végére, a ’70-es évek elejére nyúlik vissza. Ők hárman ismerték fel elsőként, hogy molekulák és kölcsönhatásaik tanulmányozása kapcsán az akkor éppen elképesztő ütemben előretörő kvantumkémiai módszereket érdemes összeházasítani klasszikus mechanikai módszerekkel, hiszen ez az egyetlen lehetőség arra, hogy a nagy molekulákra is hasznos elméleti számításokat lehessen végezni. Ők voltak azok is, akik először oldották meg a kvantumkémia és a klasszikus mechanika eszköztárának összekapcsolásával kapcsolatos problémák egy jelentős részét, s ezzel új, azóta meghatározó fontosságúvá fejlődő tudományterületet indítottak el. Ahogy a Nobel-díj méltatása plasztikusan fogalmaz, ők hárman voltak a legsikeresebbek Newton almájának és Schrödinger macskájának „kibékítésében”.

Milyen kutatások zajlottak eddig ebben a kérdéskörben?
A kvantummechanika megjelenése az utolsó jelentős paradigmaváltás a modern természettudományok történetében. 1918 és 1933 között öt fizikai Nobel-díjjal jutalmazták az elmélet kidolgozóit. Planck (1918) és Bohr (1922) még a „régi kvantumelmélet” kifejlesztéséért, míg de Broglie (1929), Heisenberg (1932), valamint Schrödinger és Dirac (1933) már a ma is használatos kvantummechanika kigondolásáért részesültek a jelentős elismerésben. A kvantummechanika és annak kémiai alkalmazása, a kvantumkémia a 2013. évi kémiai Nobel-díjasok munkásságának egyik alapja. A klasszikus mechanika modern kémiai alkalmazása, a klasszikus alapú modell potenciálok, az úgynevezett erőterek kifejlesztése talán 1946-ban kezdődött, a Coulomb és van der Waals kölcsönhatások kémiai hatásának modellezésével (amúgy van der Waals 1910-ben részesült fizikai Nobel-díjban). A két világ, a klasszikus és a kvantum világ házasításának ötlete pedig úgy valósulhatott meg, hogy míg Karplus, aki 1930-ban született, szilárd kvantumkémiai alapokkal rendelkezett, addig a 40-es éveiben járó kutató csoportjába érkező, frissen doktorált Levitt és Warshel elhozta a klasszikus mechanikai alapú erőterekkel történő modellezés ismeretét, majd évek kemény munkájával kidolgozták a két módszercsalád közös használatának alapjait, felvázolták és megoldották a technikai nehézségek egy részét. Természetesen sokan mások is részt vettek az alapok tisztázásában, a módszerek továbbfejlesztésében. Csak néhányukat megemlítve hadd emeljem ki Norman Allinger nevét, akit személyesen is ismerek. Allinger professzor – a University of Georgia professor emeritusa – a klasszikus mechanikai erőterek, az úgynevezett molekulamechanika (MM) módszerek kifejlesztésében szerzett elévülhetetlen érdemeket. Hazai vonatkozása miatt fontos megemlítenünk Scheraga professzort, akinek Némethyvel közösen írt, 1965-ös cikke a tématerület egyik klasszikusa. A Nobel-díj méltatásából nem maradhatott ki az általam szintén jól ismert Walter Thiel neve sem, aki egyetlen európaiként került be a tématerületet meghatározó módon működtető, annak fejlesztéséhez jelentékenyen hozzájáruló tudósok közé.
 
Hogyan modellezik napjainkban a molekulákat?
Az elméleti kémia eszköztára jelentősen kibővült a ’70-es évek elejéhez képest. A módszerfejlesztések és a számítógépek exponenciális ütemű fejlődésének eredményeként manapság már nagyságrendekkel nagyobb és komplexebb rendszerekre lehet alkalmazni kvantumkémiai módszereket, mint 40 évvel ezelőtt. Ugyanakkor ma is igaz, hogy fehérje méretű makromolekulák vizsgálata nem képzelhető el a klasszikus és a kvantummechanika valamilyen mértékű összekapcsolása nélkül. Továbbra is óriási népszerűségnek örvendenek az úgynevezett multiskálájú (multiscale) modellek, amelyek egy molekula, illetve molekulák kölcsönhatásának vizsgálatát több méret, illetve idő skálán valósítják meg, a lehető leghasznosabb módon keverve a lehetséges elméleti megközelítéseket. Azaz a „tisztán” kvantumkémiai megközelítések mellett, melyek pontossága ma már kezdi elérni a meghatározó kísérletek pontosságát több területen is, elterjedtek a nagyobb rendszerekre a molekuladinamikai (MD) és Monte Carlo (MC) szimulációk is. Arra lehet számítani, hogy a közeljövőben is folytatódni fog az elméleti, számítógépes kémiai módszerek szisztematikus fejlesztése és azok alkalmazása egyre összetettebb kémiai rendszerekre.

Milyen területeken hasznosíthatók a felfedezések a következő évtizedekben?
Az elméleti modellezési és szimulációs lehetőségek a kémiai kutatások egyre meghatározóbb részét jelentik, ezt hangsúlyozza a Nobel-bizottság méltatása is. Egyre inkább lépéshátrányba kerül az a kémikus, aki elhanyagolja az elmélet nyújtotta eszközöket. A számítógépes kémia ma már nem játékszer, hanem a kémiai kutatások minden más kísérleti eszközzel egyenértékű eszköze. A vezető nemzetközi folyóiratokban egyre kevesebb olyan közleménnyel találkozni, ahol nem használnak modellezési eredményeket a sikeres kutatások során. A számítógép szerkezetkutató eszközzé vált, részben az említett kutatók és az idei kémiai Nobel-díjasok munkásságának köszönhetően. A kifejlesztett programcsomagok használata már az átlag vegyész számára sem jelenthet kihívást, bár az egyetemi oktatásban tovább kell erősíteni az elméleti képzést. Megjegyzem, ebben hosszú évtizedekre visszamenően meghatározó szerepet játszott Magyarországon az ELTE, nem véletlenek az ELTE-s kapcsolatok a Nobel-díjjal jutalmazott professzorokkal, illetve a tématerület vezető kutatóival. Visszatérve a kérdésre, a szintézises kémiától a szerkezetvizsgálatokig és a mérési eredmények értelmezésétől a mérések tervezéséig nincs olyan területe a kémiának, ahol az elmélet és a kísérlet együttese ne tudna sokkal hatékonyabb kutatási eszközt szolgáltatni, mint a kísérlet (vagy az elmélet) maga. A Nobel-díjjal jutalmazott kutatók különösen sikeresek voltak annak megmutatásában, hogy a kémiai rendszerek vizsgálhatók elméleti úton, s ezek a rendszerek méretükben nem korlátozódnak kis molekulákra, hanem nagy és komplex rendszerek – akár polimerek, szilárd rendszerek, vagy különböző fázisokban lejátszódó összetett kémiai reakciók – is vizsgálhatók megfelelően megválasztott elméleti eszközökkel. A módszerek meghatározóvá váltak a gyógyszertervezésben is. Megjegyzem, a magyar elméleti kémiai iskola is ugyanazon elven szerveződött és ért el nemzetközileg visszaigazolt sikereket, mint a három Nobel-díjas kutató: az elmélet és a kísérlet kooperációjával, mely eladdig megoldhatatlannak hitt, fontos kísérleti problémák megoldásához vezet(het) el.

Az Ön kutatócsoportjának kutatásai hogyan kapcsolódnak a témához?
A sors furcsasága, hogy az idén nyáron indult kutatócsoportom neve MTA-ELTE Komplex Kémiai Rendszerek Kutatócsoport, azaz nevében pont az szerepel, ami a Nobel-díj rövid méltatásában: „komplex kémiai rendszerek”. A látszólagos hasonlóság mellett jelentős eltérés, hogy kutatócsoportunk munkássága nem a nagy méretű, hanem a kis kémiai rendszerek leírására fókuszál, azok kapcsán próbálja megmutatni, hogy nem csupán nagy molekulák viselkednek komplex rendszerként, hanem kis molekulák is. Egyik legfontosabb kutatási irányunk kis molekulák nagyfelbontású színképeinek értelmezésével kapcsolatos. Mi is házasítással próbálkozunk: a molekulaspektroszkópia és a komplex rendszerek leírására kifejlesztett hálózatelmélet összekapcsolásával. Meggyőződésem, hogy ezek a matematikai eszközök is segítenek annak megértésében, hogy miképpen lehet a lehető legegyszerűbben tanulmányozni az akár a legkisebb, háromatomos molekulák esetében is milliárdos számosságú energiaszintek közötti átmeneteket, s miképpen válhatnak kis molekulák a komplex rendszerek tanulmányozásának paradigmáivá.

A Nobel-díjasok kutatásait magyarázó angol nyelvű sajtóanyag itt olvasható.