מהגולם של מכון ויצמן ועד לבימת פרס נובל בשטוקהולם

הכימאים השתמשו בעבר במקלות ובכדורים כדי להדגים פעולות כימיות. כיום הכל נעשה במחשב. בשנות השבעים מרטין קארפלוס, מייקל לויט ואריה ורשל הובילו את הבסיס לתוכנות חזקות המשמשות להבנה ולחיזור של תהליכים כימיים.

השבוע נודע כי פרופ' מרטין קרפלוס מאוניברסיטת הארווארד, מייקל לויט מסטנפורד ופרופ' אריה ורשל מאוניברסיטת דרום קליפורניה זכו בפרס נובל לכימיה על שילוב מודלים ממוחשבים של כימיה ופיסיקה קוונטית.

פרופ' ורשל סיים את התואר הראשון שלו בטכניון בשנת 1966, שנה לאחר מכן הוא סיים את התואר השני במכון ויצמן וב-1969 הוא השלים במכון את הדוקורט שלו. גם פרו'פ לויט היה במשך שנים רבות איש סגל במכון ויצמן, וכיום הואמשמש חוקר אורח ושוהה תקופות ארוכות במכון ויצמן. גם פרופ' קרפלוס שהה בתקופת שבתון במכון בתקופה שבה הם פיתחו את המודל.

הכימאים השתמשו בעבר במקלות ובכדורים כדי להדגים פעולות כימיות. כיום הכל נעשה במחשב. בשנות השבעים מרטין קארפלוס, מייקל לויט ואריה ורשל הובילו את הבסיס לתוכנות חזקות המשמשות להבנה ולחיזור של תהליכים כימיים.

מודלים ממוחשבים המשקפים את החיים האמיתיים הפכו קריטיים למרבית הפיתוחים בכימיה היום. ריאקציות כימיות מתרחשות במהירות הברק. בתוך מילישניות אלקטרונים קופצים מגרעין אטום אחד לשני. כמעט בלתי אפשרי לחזות כל צעד קטן בתהליך הכימי. המודלים שבזכותם זכו שלושת הזוכים בנובל לכימיה, איפשרו למחשבים לחשוף תהליכים כימיים כגון הפעולות בממירים הקטלטיים, פוטוסיטיזה ועוד.

עבודתם של קרפלוס, לויט וורשל פורצת דרך בכך שהם איפשרו לפיסיקה הקלאסית של ניוטון לעבוד לצד פיסיקת הקוונטים השונה לחלוטין. קודם לכן, הכימאים היו צריכים לבחור באיזו פיסיקה להשתמש. כוחה של הפיסיקה הקלאסית היא בפשטות החישובים ובאפשרות להשתמש בה למדל מולקולות גדולות מאוד. החולשה שלה היא שהיא לא מציעה דרכים לסמלץ ריאקציות כימיות. למטרות אלה, כימאים היו חייבים להשתמש בפיסיקת הקוונטים ואולם הדבר דרש כוח חישוב עצום וניתן היה לבצע אותו רק על מולקולות קטנות.

לכבוד זכיית החוקרים בפרס הווקרתי שוחחנו עם פרופ' אמנון הורוויץ מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן. לדבריו הקשר של הזוכים למכון ויצמן הדוק בהרבה מאשר רק הדוקוטרט שעשה פרופ' ורשל במכון ויצמן. ורשל המשיך לאחר מכן כחוקר במכון וגם מייקל לויט, אחד מהשותפים לפרס היה איש סגל במכון עד תחילת שנות התשעים, ועד היום הוא ממשיך כפרופסור אורח חודשים ארוכים בשנה. לדברי פרופ' הורוויץ, גם השותף השלישי לפרס, פרופ' קרפלוס היה לפחות פעם אחת בשנת שבתון במכון. "העבודה עצמה נבטה ממחקר ראשוני של ורשל ולויט בהנחייתו של פרופ' שניאור ליפסון ז"ל." הוסיף פרופ' הורוויץ.

מה אתה יכול לספר לנו על העבודה עצמה?
"העבודה היא עבודה חישובית, תיאורטית שהמוטיבציה שלה בתחילת הדרך הייתה לנסות להבין כיצד חלבונים מתקפלים. החלבונים מורכבים מחומצות אמיניות. יש עשרים חומצות אמיניות בטבע וניתן לחשוב על חלבון בתור סידרה של חרוזים על חוט כשכל חרוז הוא חומצה אמינית. החרוזים באים ב-20 'צבעים' שונים, והנקודה החשובה הוא שהסדר של החרוזים קובע את המבנה. ברגע שקבעת סדר מסויים החוט מתקפל ונוצר מבנה ייחודי החשוב לפעילות של החלבון. חלבונים כדוגמת המוגלובין, אינסולין – לכל אחד יש את המבנה הייחודי שלו שנקבע על ידי הסדר של ה'חרוזים' – החומצות האמיניות. מדובר במין כתב חידה שהטבע פותר כל הזמן יום-יום שעה-שעה: בהינתן הסדר הנכון, הטבע יודע מה צריך להיות המבנה והחלבון מתקפל למבנה הנכון כשהמטרה של המדענים עשרות שנים היא לבצע אתה ניבוי הזה במחשב."

"הם פיתחו כלים שמאפשרים לחקות את התהליך במחשב. הבעיה עדיין לא פתורה, עד היום אבל הכלים עצמם הפכו שימושיים עבור בעיות אחרות יותר 'קטנות'. למשל כאשר פותרים מבנה של חלבון בעזרת קריסטלוגרפיה כמו שעדה יונת עשתה, אז המבנה שמתקבל לא לגמרי נכון, צריך לתקן אותו ואת זה צריך לתקן באמצעות הכלים החישוביים שהשלושה הללו פיתחו. או אם רוצים להבין איך תרופה נקשרת לקולטן בצורה חישובית משתמשים בכלים הללו.

האם יש משמעות לכושר החישוב?
"העובדה שכושר החישוב השתפר מאוד שינתה את התמונה ומאפשרת לקצר את הזמן הדרוש – תהליך הקיפול לוקח זמן והיכולת של המחשב למדל אותו לפני 40 שנה הייתה מוגבלת. היום ניתן לעשות סימולציות יותר ארוכות. אפשר לתאר את החלבון בצורה יותר מדויקת מכפי שעשו אז. בהחלט היתה התקדמות גדולה אבל השאלה הבסיסית שאיתה התחילו אז נשארה עדיין פתוחה.