Новости химической науки > Ab initio нанореактор найдет оптимальные пути процесса

В 1952 году был проведен ставший классическим эксперимент Миллера-Юри, в котором симулировались гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химической эволюции.

Эксперимент Миллера-Юри считается одним из важнейших опытов в исследовании происхождения жизни на Земле. Первичный анализ, проведенный в 1952 году, показал наличие в конечной смеси 5 аминокислот. Однако более точное изучение продуктов, образовавшихся в эксперименте, результаты которого были опубликованы в 2008 году, показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот. В наши дни исследователи из Стенфорда считают, что они сделали еще один шаг к пониманию биогенеза, «перенеся» эксперимент Миллера-Юри в компьютерный алгоритм.

Пирамидальное отображение сети взаимосвязанных реакций, приводящих к образованию целевого соединения. (Рисунок из Nature Chemistry (2014) DOI: 10.1038/nchem.2099)

Исследователи разработали компьютерную модель, которая способна не только предсказать строение всех продуктов, образование которых возможно в эксперименте Миллера-Юри, но и определить все возможные химические реакции, в результате которых эти продукты могли сформироваться. Модель, получившая название «нанореактор» может оказаться полезной и для решения проблем с биогенезом, и может использоваться химиками для поиска процессов и механизмов, позволяющих увеличить эффективность работы топливных электроэлементов или разработать новые лекарственные препараты.

Нанореактор представляет собой виртуальную химическую лабораторию – перед его запуском пользователь должен ввести в компьютерную модель целевые продукты, исходные вещества, параметризовать давление и температуру, после чего запустить программу. После запуска динамическое состояние реакционной смеси определяется с применением алгоритмов ab initio, и эти алгоритмы позволяют предсказать, каким образом происходит перераспределение электронов в молекулах и промежуточно образующихся продуктов в ходе их сближения, какие интермедиаты и в соответствии с какими механизмами образуются. Каждый «кадр» такого смоделированного мультфильма про жизнь и судьбу молекул можно записать и определить геометрические и электронные параметры реакционной смеси для ее состояния в определенный момент времени.

Как отмечает руководитель исследования, Тодд Мартинес (Todd Martinez), квантовохимический нанореактор позволяет достаточно легко определить, какие реакции имеют наибольшее значение в получении того или иного продукта. В новом алгоритме используется гибридный подход, включающий квантово-химические расчеты и самообучение алгоритма, позволяющее обнаружить все возможные пути к «цели», причем алгоритм может «нащупать» такие процессы и механизмы, которые ранее не были известны.

Обычно изучение возможных путей протекания химических реакций проводится с бумагой и ручкой, с помощью которых химик записывает возможные перемещения атомов и электронной плотности, однако из-за растущего дерева вероятности реализации различных вариантов такого движения такой классический подход ограничивается изучением систем, содержащих небольшое количество атомов, и может занимать большое время. «Нанореактор», работающий на обычном компьютере, может делать предсказания для динамических систем, образованных несколькими сотнями атомов, при этом на получение результатов уходит всего несколько часов.

Реализованный в нанореакторе алгоритм может более подробно изучить реакции и механизмы, лежащие в основе процессов, имеющих значение в нашей повседневной жизни, например – процессов горения, в которых возможно одновременное протекание десятков и даже сотен параллельных процессов. Мартинес надеется, что использование ab initio нанореактора позволит модифицировать существующие катализаторы сгорания газообразного и жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания или топливных генераторах электричествах, добиться более глубокого понимания особенностей биохимических процессов, лежащих в основе действия лекарственных препаратов, а также поучаствует в решении задач, о которых сейчас разработчики нанореактора даже еще не в состоянии представить.

Источник: Nature Chemistry (2014) DOI: 10.1038/nchem.2099

метки статьи: #биохимия, #квантовая химия, #короткоживущие вещества, #химическая эволюция