Makromolekulák titkai tárulnak fel a legmodernebb számítástechnikai eszközökkel

Pontosabb, akár az ipar számára is áttörést hozó számítási módszereket fejleszt a BME Lendület Kvantumkémiai Kutatócsoportja.

„A modern, nagy teljesítményre képes számítógépekkel elméleti úton is meghatározhatjuk a molekulák sok kémiai jellegzetességét, nem feltétlenül szükségesek ehhez kísérletek. E számítások azonban sokáig tartanak, és valóban nagy teljesítményű eszközöket igényelnek, ezért a közelmúltig főként kisebb méretű molekulákat vizsgáltak így” – fejtette ki Kállay Mihály egyetemi tanár, a Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszékének vezetője, aki 2013 óta vezeti az MTA-BME Lendület Kvantumkémiai Kutatócsoportját is. Utóbbi olyan számítási módszert fejleszt, amely a jelenleg használatos modelleknél kisebb számítási kapacitást igényel, így gyorsabbá és olcsóbbá teszi egyes, adott molekulákra jellemző értékek meghatározását. E kutatások kézzelfogható eredménye az MRCC elnevezésű ingyenesen letölthető szoftver, amelynek három-négyhavonta jelenik meg egy-egy új, tökéletesített verziója, és amelyet jelenleg körülbelül 250-en használnak már a világ minden részén.

„Kutatásaink legfontosabb célja, hogy minél nagyobb méretű – így például a gyógyszeriparban is használatos – molekulákra minél pontosabb értékeket, például termokémiai paramétereket tudjunk számolni” – emelte ki az utóbbi években robbanásszerű fejlődésen átment szakterület kutatója. „Az elsőként született szoftververziónkkal körülbelül száz-kétszáz atomos molekulákra lehetett számításokat végezni: ez sajnos nem tudott pontos módszert nyújtani a hosszú távú kölcsönhatásokra, mint amilyen például az ún. diszperziós kölcsönhatás (az elektronok megtalálási valószínűségének fluktuációja miatt kialakuló kölcsönhatás – a szerk.)” – mesélte a kutató. „Sok mindent kipróbáltunk, végül két fontos újításunk lett, amellyel felgyorsítottuk a módszer és növeltük a pontosságát. Az ún. szingulárisérték-felbontással, amely hasonló a képek tömörítésénél alkalmazott eljárásokhoz, nemcsak az adatok kezelését gyorsítottuk fel, hanem ezek így kisebb helyet is foglalnak a gépen. Az általunk fejlesztett ún. integrál-direkt módszerrel pedig lényegében nem tárolunk semmit lemezen, hanem az összes közbenső értéket újraszámoljuk, ami csak látszólag felesleges munka: a mai, nagy kapacitású számítógépekkel gyorsabban dolgozunk így, mintha lemezre írnánk, tárolnánk és beolvasnánk a korábban már megkapott adatokat.”

A szakterület kutatócsoportjai versengenek a minél több atomból álló molekulák energiájának meghatározásáért, ami a legfontosabb kvantumkémiai paraméter. Kállay Mihály és társai tavaly túllépték az ezeratomos, néhány hete pedig a kétezer atomos határt is. A világrekord a 2380 atomból álló HIV-integráz elnevezésű enzim energiájának meghatározása volt. „Ezzel a konkrét kihívással tesztelhettük módszerünk használhatóságát. Egy valós enzimre végeztünk számítást, amelynek a szerkezetét is meghatározták már röntgendiffrakciós módszerrel – és ez elérhető, letölthető internetes adatbázisokból. Tesztszámításaink alapján bebizonyosodott, hogy kidolgozott számítási módszerünk eredményei egybeesnek a kísérleti kémia szakemberei által korábban kapott értékekkel” – számolt be a kutató, hozzátéve, hogy eredményeiket éppen a közelmúltban publikálták.

HIV-1 integráz katalitikus domén, 2380 atom

A kutatók kis- és nagyméretű molekulák különböző paramétereit egyaránt számíthatják: utóbbi főként a szerves kémikusokat segítheti, akik megtervezik, hogy milyen molekulát szeretnének szintetizálni. A kvantumkémia szakemberei kísérleti eszközök nélkül, számításokkal határozzák meg, érdemes-e létrehozni ezeket, és ha igen, milyen módszerekkel. „A Chemistry című folyóiratban elfogadott cikkünkben például peptidekkel foglalkoztunk” – ecsetelte Kállay Mihály. „Egy peptidmolekula aminosavak sokféleképpen csavarodó hosszú láncából épül fel, és e csavarodások gyakran megváltoztatják a molekulák tulajdonságait, így fontos, hogy a kutatók ismerjék ezek legstabilabb változatait, amelyek kiválasztásához ismerniük kell a molekula energiaszintjeit. A korábbi eljárások a miénknél durvább becsléseket adtak, több tíz kcal/mol-lal számolták az energiát: az általunk kidolgozott módszerrel pedig néhány kcal/mol-os pontosság érhető el.”

A szakemberek a Kele Péter által vezetett, az MTA TTK-ban dolgozó Lendületes kutatócsoporttal is együttműködnek, amelynek tagjai fluoreszcens jelzőmolekulákat terveznek. E molekulák az élő szervezetben található más molekulákhoz kapcsolódva, azokkal reakcióba lépve nyomon is követhetők.

A kismolekulák termokémiáján belül érdekes és fontos terület a víz protonaffinitásának (ez az energia, amellyel a proton a vízmolekulához kötődik – szerk.) vizsgálata: az ezzel kapcsolatos eredményeket a Chemical Science folyóiratban publikdálták. „Kísérleti kémikusokkal közösen nagyon pontos protonaffinitási értéket számoltunk a vízre: ez egy fontos természeti állandó, sok területen használják” – hangsúlyozta Kállay Mihály. Hasonlóan jelentős eredmény volt a légkörkémiai reakciók egyik központi molekulája, a hidroperoxil-gyök egyik legfontosabb paraméterére, a képződéshőre javasolt pontos érték, valamint a pentán konformereinek – eltérő térszerkezetű változatainak – energiakülönbségeire számolt pontosabb számadatok. Ez utóbbi jelenleg a legnagyobb molekula, amelyre a konformerek energiakülönbségeit nagy pontossággal ismeri a tudomány. Ezeket az értékeket a későbbiekben az új kvantumkémiai módszerek pontosságának tesztelésére tudják használni.

„A kutatócsoportban jelenleg négy szenior kutató – Csontos József, Rolik Zoltán, Mezei Pál, Nagy Péter, valamint doktoranduszok –  Ganyecz Ádám , Hégely Bence, Mester Dávid, Samu Gyula – tevékenyked nek. A munkájukat Brátán János technikus segíti. Van némi mozgás, a kollégák egy része távozik, egyesek az iparba kerülnek, vagy külföldön lesznek doktoranduszok. Az elkövetkező két évre még kitart a kutatócsoportnak juttatott Lendület-támogatás. Bízunk abban, hogy az MTA, illetve a kormányzat lehetővé teszi az egyetemi Lendület kutatócsoportok további fennmaradását és nagy örömmel fogadtuk Palkovics László államtitkár úr augusztusi bejelentését miszerint az Emberi Erőforrások Minisztériuma biztosítja a további forrást azoknak a Lendület-csoportoknak, amelyeknek idén lejár a támogatása. Reméljük, hogy ez a program a későbbiekben is folytatódik és a többi Lendület-csoport finanszírozása is. Bízunk abban is, hogy a továbbiakban is találunk más hazai és európai uniós pályázati forrásokat is a megkezdett munka folytatására” – összegezte Kállay Mihály.

HA - TJ

Fotó: Takács Idikó