Modelowanie cząsteczek

Cząsteczki chemiczne zbudowane są z atomów. Istnieje tylko około stu rodzajów atomów, lecz łącząc się na niezliczone sposoby tworzą one ogromne bogactwo związków. Reguły, według których atomy mogą się łączyć, są bardzo ścisłe. Oznacza to, że można tak zaprogramować komputery, by modelowały kształty cząsteczek. Badacze struktur cząsteczek często wiedzą, jakie atomy wchodzą w skład danej cząsteczki, ale nie znają jej kształtu. Z kolei wiele chemicznych i biologicznych własności cząsteczki zależy właśnie od jej kształtu. Na przykład znane nam doskonale cząsteczki cukru występują w dwóch postaciach — prawoskrętnej i lewoskrętnej. Tylko pierwsze z nich ulegają rozkładowi w organizmie człowieka. Dlatego też komputer można wykorzystać do analizy różnych struktur chemicznych. Po wprowadzeniu do jego pamięci zasad fizyki atomowej może on określić najbardziej prawdopodobny kształt danej cząsteczki. Poszukując przyczyn chorób}' badacze często stosują metody biochemiczne, by wyizolować konkretne cząsteczki powodujące dane schorzenie. Mogą oni najpierw za pomocą komputera wymodelować kształt poszukiwanej cząsteczki. Następnie, ponownie wykorzystując komputer, mogą zaprojektować nowe cząsteczki, których kształt i własności doprowadzą do reakcji z niepożądanymi cząsteczkami. Takie oprogramowanie jest cennym narzędziem badawczym, umożliwiającym otrzymywanie nowych leków oraz nowe metody leczenia. Modelowanie i przedstawianie na ekranie dużych cząsteczek biologicznych, takich jak białka, wymaga ogromnej mocy obliczeniowej. Względne położenia tysięcy atomów trzeba najpierw wprowadzić do komputera. Każdemu z atomów przypisujemy inną barwę i inne rozmiary. W celu wykonania obrazu cząsteczki komputer musi obliczyć, które atomy znajdują się na pierwszym planie, a które są zasłonięte. W końcu cieniuje poszczególne atomy, aby na ekranie wyglądały jak kulki. Kształty wirusów wywołujących takie choroby, jak grypa czy AIDS, mogą być również modelowane komputerowo. Otrzymane modele umożliwiają projektowanie odpowiednich szczepionek. Niestety, wirusy często zmieniają swoje kształty i po kilku latach na ogół trzeba szukać nowych szczepionek zwalczających zmodyfikowane wirusy. Komputery pomagają również zrozumieć strukturę cząsteczek poprzez sterowanie pomiarami i analizę otrzymanych wyników. Cząsteczka, w której tkwi zapis genetyczny, to DNA. Wielu naukowców w licznych laboratoriach na całym świecie zajmuje się analizą ludzkiego DNA, który jest zbudowany z łańcucha miliardów kombinacji czterech różnych typów cząsteczek. Rozszyfrowanie dokładnej sekwencji kodu genetycznego człowieka bez użycia komputerów zajęłoby tysiące lat. Naukowcy używają obecnie komputerów do badania cząsteczek istniejących związków chemicznych oraz do projektowania nowych. Na mniejszym zdjęciu — trójwymiarowy obraz cząsteczki, który można łatwo zmieniać na ekranie. Większe zdjęcie przedstawia model cząsteczki hemoglobiny — substancji nadającej czerwoną barwę naszej krwi.