Chemie in je PC!?

Chemie in je PC!?
De tijd dat computers bijna uitsluitend in laboratoria gebruikt
werden is al lang voorbij. In bedrijven gebruikt men ze dag in dag
uit om te typen, te rekenen en te presenteren. Ook in de huiskamer
duiken die toestellen steeds regelmatiger op. Een stereoinstallatie? Een tv? Een multimediacomputer vervangt het
tegenwoordig allemaal! Wat is er intussen geworden van de
labocomputers? Vandaag de dag gedragen computers zich steeds
meer als een laboratorium op zich. Een blik achter de schermen
van het onderzoek naar het allerkleinste...
Alles wat we zien, ruiken en voelen is
opgebouwd uit atomen en moleculen. Een
atoom kan je je voorstellen als een heel
klein deeltje, bestaande uit een kern in het
midden en bolletjes die daar rond zweven,
die we elektronen noemen. Stel dat je iets
eet, dan zorgt een hoop chemische
processen in maag en darmen ervoor dat jij
energie krijgt om je alledaagse dingen te
kunnen doen. Als je ziek bent, zorgen
geneesmiddelen voor de juiste reacties en je
voelt je weer beter. Het lijkt simpel, maar
die processen zijn hopeloos ingewikkeld en
met het blote oog niet te volgen. Om een
beter beeld te krijgen van wat er zich
afspeelt op niveau van de atomen,
gebruiken
wetenschappers
steeds
geavanceerdere technieken. Een goed
voorbeeld
hiervan
is
de
elektronenmicroscoop, die er voor zorgt dat
atomen en moleculen tegenwoordig lang
niet meer zo onzichtbaar zijn als ze wel
lijken.
Kwantumchemie doet zijn intrede
Tot in het begin van de twintigste eeuw
dachten wetenschappers dat het systeem
van elektronen die rond de atoomkern
zweven te vergelijken is met de bewegingen
van planeten rond de zon. Zo eenvoudig is
het echter niet, want de klassieke fysica
voorspelt dat de elektronen energie zouden
verliezen en via een spiraalbeweging op de
kern zouden storten. Als dat waar zou zijn,
zou alle materie om ons heen binnen de
kortste keren ineenklappen tot iets héél
kleins. Dat gebeurt gelukkig niet, de
wetenschappers moesten op zoek gaan naar
een beter model.
In het begin van de twintigste eeuw begon
men met de ontwikkeling van de
kwantummechanica en die wetenschapstak
bood een oplossing voor het mysterie. De
kwantumtheorie zegt dat deeltjes geen
afzonderlijke
posities
en
impulsen
(bewegingen) hebben maar gekenmerkt
worden door een kwantumtoestand, met een
onzekerheid wat betreft positie en impuls.
Het nieuwe atoommodel bracht aan het licht
dat de elektronen slechts op een heel
beperkt aantal banen kunnen bewegen en
dat de beweging opgevat kan worden als
een golfverschijnsel. Toen was het hek van
de dam: men kon de beweging van
elektronen exact gaan berekenen, zowel
voor eenvoudige atomen als voor complexe
moleculen. Er dook spijtig genoeg een
praktisch probleem op. De wiskundige
vergelijkingen waren zo complex dat het
nog jaren geduurd heeft voordat men er
effectief in slaagde om moleculen volledig
theoretisch te beschrijven. Paul Dirac is een
van de grondleggers van de kwantumfysica.
Hij formuleerde het in 1929 als volgt: “The
fundamental laws necessary for the
mathematical treatment of large parts in
physics and the whole of chemistry are thus
fully known, and the difficulty lies only in
the fact that the application of these laws
leads to equations that are too complex to
be solved.”
Communicatie en Presentatie • Opdracht 1 • Steven Bloemen
1
Computer wordt laboratorium
Vanaf de jaren zestig kwam er snel
duidelijkheid in de zaak. De intrede van
computers
in
het
wetenschappelijk
onderzoek verlichtte het wiskundig werk en
bracht de kwantumchemie op ongekende
hoogten. Doorheen de jaren stelden
verschillende wetenschappers allerhande
methoden voor om systemen met veel
elektronen in kaart te brengen. De twee
belangrijksten waren Pople en Kohn. In
1998 kregen ze samen de Nobelprijs voor
Chemie voor hun pioniersrol in de
kwantumchemie.
Deze
prestigieuze
onderscheiding
bevestigt
dat
de
kwantumchemie momenteel erkend is als
een belangrijke onderzoekstak die de
wetenschappelijke vooruitgang in een
stroomversnelling kan brengen.
Het gebruik van computers leverde ook
nieuwe mogelijkheden op om een beter
inzicht te krijgen in allerlei experimenten.
Met visualisatieprogramma’s kan men
moleculen tegenwoordig in 3D bouwen,
roteren en manipuleren. Experimenten zijn
dikwijls heel duur en gevaarlijk, soms
moeilijk waarneembaar of zelfs bijna niet
uitvoerbaar. In dergelijke gevallen biedt een
simulatie steeds meer een uitkomst. De
computer groeit langzaam maar zeker uit tot
een moleculaire tekentafel, een labo op
zichzelf.
Moleculen op stap
Zoeken naar goede reacties via de computer
betekent in eerste instantie dat men zoekt
naar reacties die snel verlopen en niet te
veel externe energie vergen. Stel je eens een
landschap voor van potentiële energie, met
bergen en dalen. In een reactie zouden de
moleculen zich dan gedragen als
wandelaars die een hekel hebben aan
klimmen, ze proberen het doel te bereiken
door zo weinig mogelijk hoogteverschil te
overwinnen. Een berg beklimmen kost in
het dagelijks leven veel energie, het
overwinnen van een potentiaalberg is
vergelijkbaar. Als de berg te hoog, geraak je
er niet over. Dit levert al enig inzicht in het
al dan niet plaatvinden van chemische
reacties, maar het wordt pas echt
fascinerend als we de paden en bewegingen
van de moleculen doorheen de tijd kunnen
volgen. Moleculen staan eigenlijk nooit stil.
Ze trillen, draaien, springen de hele tijd, ze
bewegen heel snel door elkaar en botsen
constant. Bij zo’n botsing kunnen deeltjes
met elkaar reageren. Je kan de moleculen
eigenlijk nog het best vergelijken met
dansers op een dansvloer, bij een chemische
reactie vinden twee partners elkaar
toevallig, vormen een koppel en ‘reageren’.
Berekend medicijn
Als je een medicijn neemt, genees je. Nu ja,
dat is toch de bedoeling. Waarom vraagt
bijna niemand zich af wat er zich
daarbinnen in ons lichaam allemaal
afspeelt? Een aantal chemici hebben dat wel
gedaan, maar ze werden niet snel veel
wijzer. Chemische reacties blijven ons
boeien, soms in negatieve zin, zoals bij
chemische oorlogvoering, maar meestal in
positieve zin, zoals bij het zoeken naar
betere
medicijnen
en
duurzame
energiebronnen. Het spreekt voor zich dat
we een grote stap vooruit zetten als we de
reacties allemaal op moleculair vlak
begrijpen. De laatste tijd kent het
‘computerlabo’ vooral een sterke opgang in
de geneeskunde. Door de reacties van
geneesmiddelen op ziektekiemen te
simuleren kan men tal van dure en
gevaarlijke experimenten op proefdieren en
proefpersonen
vervangen.
Computers
stellen de onderzoekers in staat op korte tijd
de efficiëntie van duizenden eiwitten te
berekenen en zo te voorspellen welk het
meest geschikte is om virussen en bacteriën
te vernietigen.
Smelten! Maar niet te snel...
Als we nu eens in die PCs gaan kijken, dan
vinden we een hoop printplaten waarop
elektronische onderdelen gemonteerd zijn.
De elektrische communicatie tussen al die
componenten verloopt via speciale banen
op de platen. Het modelleren van atoom- en
molecuulgedrag heeft massa’s toepassingen,
de printplatenproductie is daar een
Communicatie en Presentatie • Opdracht 1 • Steven Bloemen
2
er rekening mee houden dat het
toch ooit zover kan komen.
Hoe groot de beschikbare
rekenkracht tegenwoordig ook
al is, ze is nog steeds veel te
klein en te duur. Een aantal
laboratoria zagen dat probleem
in
en
hebben
systemen
ontwikkeld om ongebruikte
kracht van eenieders PC te
benutten voor de ontwikkeling
van nieuwe geneesmiddelen. De
gigantische berg berekeningen
wordt keurig verdeeld over de
Drug Design Optimisation Lab evalueert de efficiëntie van
computers
van
duizenden
eiwitten voor ziektebestrijding.
vrijwilligers. Zin om uw
steentje bij te dragen? Onderaan
dit artikel staan een paar links
uitstekend
voorbeeld
van.
Vroeger
naar websites die je op weg zetten.
gebruikte men allerlei giftige stoffen om de
Chemie in jouw computer? Voor het goede
elektrische banen aan te brengen,
doel... en voor de wetenschap!
tegenwoordig bereikt men met laserlicht
hetzelfde resultaat op een véél efficiëntere
en milieuvriendelijkere manier. Door het
Steven Bloemen
modelleren van de chemisch actieve delen
2de Bachelor Fysica
van polymeer heeft men ervoor kunnen
zorgen dat het laserlicht de gewenste
Bronnen:
V. Van Speybroeck. Chemische reacties bekeken door een
verandering teweegbrengt in de stof. Je kan
fysisch computervenster, Nederlands Tijdschrift voor
het vergelijken met een plaatselijk
Natuurkunde, 2002, 196-200
smeltproces. Op die manier leidt een beter
D.P. Tieleman, Theoretical Studies of Membrane Models,
begrip van de reacties die in stoffen
http://dissertations.ub.rug.nl/.FILES/
optreden onder bepaalde omstandigheden
faculties/science/1998/d.p.tieleman/samenvat.pdf
duidelijk tot het ontwerp van zinvolle,
W.F. Van Gunsteren, Computersimulatie van Complexe
nieuwe materialen die beter zijn voor het
(bio)Moleculaire Systemen,
milieu en bovendien interessanter voor onze
http://www.nwo.nl/nwohome.nsf/pages/SPES_5VEG9J/$fi
portemonnee.
le/Huygens-2001.pdf?openelement
Chemie op je computerscherm
De evolutie gaat uiteraard onverminderd
voort, de hele wetenschap evolueert dag in
dag uit. Meer en meer wetenschappers uit
allerlei disciplines ontdekken intussen de
mogelijkheden van de wondere wereld der
moleculen... op een computerscherm.
Wat de toekomst ons brengt is koffiedik
kijken. Momenteel houdt men zich bezig
met de simulatie van systemen van een paar
moleculen. De weg naar het simuleren van
complexe systemen zoals een menselijk
lichaam is nog zeer lang, maar we moeten
Distributed computing - projecten
• http://www.d2ol.com/
SARS, Ebola en Anthrax.
• http://folding.stanford.edu/
Basisonderzoek naar proteïneplooiing
• http://fightaidsathome.scripps.edu/
AIDS
• http://boinc.bakerlab.org/rosetta/
Kanker, AIDS en HIV
Communicatie en Presentatie • Opdracht 1 • Steven Bloemen
3