Digitale scheikunde krijgt Nobelprijs

Het in detail narekenen van chemische reacties is een veelgebruikt gereedschap binnen het biomedisch onderzoek. De ontwikkelaars krijgen er een Nobelprijs voor.

Het lichtvangende molecuul retinal (paarse bollen) is het eerste molecuul waarvan Karplus en Warshel de bewegingen doorrekenden. Illustratie Darekk2

In bijna alle laboratoria van universiteiten en farmaceutische industrieën draaien dagelijks de computerprogramma’s waarvoor Martin Karplus, Michael Levitt en Arieh Warshel gisteren de Nobelprijs voor de scheikunde kregen toegekend.

In de jaren zeventig en tachtig waren zij het die de rekenmethoden en de bijbehorende computerprogramma’s ontwikkelden waarmee chemische reacties in vaak grote moleculen tot in detail kunnen worden nagebootst. Die rekenmethoden laten in kleine stapjes, bijvoorbeeld van een femtoseconde (miljoenste van een miljardste seconde), zien hoe alle atomen binnen een molecuul steeds in minimale stapjes ten opzichte van elkaar bewegen. En hoe bij een chemische reactie een stuk molecuul loslaat en ergens anders aan vast komt te zitten.

Dat geeft inzicht, waardoor farmaceuten gerichter geneesmiddelen kunnen ontwerpen, of chemici in de olie-industrie betere katalysatoren kunnen ontwerpen. De computerprogramma’s waarvoor de drie winnaars de basis legden zijn daardoor een nuttig onderzoeksinstrument, net zoals bijvoorbeeld gaschromatografen en massaspectrometers, statistische rekenprogramma’s en apparaten die de basenvolgorde van genen bepalen.

Karplus, Levitt en Warshel krijgen hun prijs vooral voor de elegante combinatie van ‘ouderwetse’ mechanica (de wetten van Newton) met quantummechanica die het gedrag van elektronen beschrijft. Die combinatie was de oplossing voor een probleem. Het vergt veel te veel rekenwerk om de bewegingen binnen moleculen groter dan een paar atomen helemaal quantummechanisch door te rekenen. Dat kan wel met de Newtoniaanse mechanica, die ieder atoom beschouwt als een bewegend bolletje, aan een veerkrachtig touwtje verbonden met een ander atoom. Maar reacties, met verschuivende ladingen en overspringende elektronen zijn op die manier niet uit te rekenen. Daar moet de quantummechanica aan te pas komen.

Door op de plaats van een reactie quantummechanisch te rekenen, door wat verder weg Newtoniaanse mechanica te hanteren en door de omgeving van nog verder weg als een soort elektrisch veld te behandelen, konden moleculen van duizenden atomen toch worden gesimuleerd. En zo groot zijn de moleculen (enzymen en signaalverwerkende receptoren bijvoorbeeld) die in de geneeskunde van belang zijn.

Enzymen zijn eiwitten die biochemische reacties laten verlopen. In een mensenlichaam zijn tienduizenden verschillende enzymen actief. Ze breken suikers, vet en eiwitten af; ze maken hormonen en bouwstoffen voor het lichaam.

De Nobelprijs is dit jaar 800.000 Zweedse kronen (915.000 euro) groot. De drie krijgen ieder een derde van dat bedrag. De Nobelprijs is geen onderzoekssubsidie. De winnaars mogen het geld naar eigen inzicht besteden. De prijs wordt op 10 december – de sterfdag van Alfred Nobel – uitgereikt in Stockholm. Levitt zei in een eerste reactie op de prijstoekenning tegen persbureau AP dat zijn grootste probleem nu is dat hij snel danslessen moet nemen, omdat stijldansen een vast onderdeel van de Nobelceremonie is.

    • Wim Köhler