ภาพประกอบ Martin Karplus
ภาพประกอบ Michael Levitt
รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2013 มีผู้ได้รับ 3 ท่าน คือ Martin Karplus, Michael Levitt และ Arieh Warshel ในฐานะที่ร่วมกันบุกเบิกวางรากฐานการพัฒนาแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่สามารถอธิบายปฏิกิริยาเคมีซับซ้อนซึ่งต้องใช้ทั้ง classical และ quantum physics ได้
ย้อนเวลาไปเมื่อสี่สิบกว่าปีก่อน ในยุคนั้นเมื่อนักเคมีต้องการศึกษาปฏิกิริยาเคมีในระดับโมเลกุลด้วยแบบจำลองในคอมพิวเตอร์ พวกเขาจะชนเข้ากับอุปสรรคของ classical และ quantum physics ที่ขวางไม่ให้เราสร้างแบบจำลองที่ใส่ทั้งรูปร่างโมเลกุลและพลวัติของปฏิกิริยาเข้าไปพร้อมกัน หากนักเคมีต้องการเห็นแบบจำลองรูปร่างโมเลกุลที่เห็นเป็นรูปเป็นร่าง จับหมุนๆ โยกซ้ายโยกขวาได้ ก็ต้องเลือกแบบจำลองที่อิงกับ classical physics ซึ่งอธิบายได้แค่โมเลกุลที่อยู่นิ่งๆ แต่อธิบายกลไกการเกิดปฏิกิริยาเคมี เช่น การเปลี่ยนระดับพลังงาน, การย้ายตำแหน่ง, และการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ฯลฯ ไม่ได้ เพราะสิ่งเหล่านี้เป็นเรื่องของ quantum physics แต่หากนักเคมีสร้างแบบจำลองที่อิงกับ quantum physics มันก็จะกลายเป็นงานระดับโคตรยักษ์ที่ต้องใช้พลังงานการประมวลผลสูงมากจนไม่มีคอมพิวเตอร์เครื่องไหนรับไหว เพราะแบบจำลองจะต้องคำนวณสถานะของอิเล็กตรอนหรือโมเลกุลทุกตัวที่อยู่ในระบบแบบ real time (ระบบในที่นี้ไม่ได้หมายถึงแค่โมเลกุล 2-3 ตัวมาวิ่งชนกัน แต่หมายถึงโมเลกุลเป็นล้านๆ ตัวรวมถึงอันตรกิริยาที่โมเลกุลกระทำกับสิ่งแวดล้อมด้วย)
จุดเริ่มต้นของการปฏิวัติวงการเกิดขึ้นใน ค.ศ. 1970 เมื่อ Arieh Warshel ได้เข้ามาร่วมทำงานกับ Martin Karplus ที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ขณะนั้น Martin Karplus ก็ถือได้ว่าเป็นผู้จัดเจนทางด้าน quantum physics แถวหน้าของวงการแล้ว เขาได้พัฒนา "Karplus Equation" ซึ่งเป็นสมการสำคัญในงานที่ใช้ Nuclear Magnetic Resonance (NMR) ส่วน Arieh Warshel นั้นเป็นนักวิจัยหนุ่มไฟแรงที่เชี่ยวชาญทางด้านแบบจำลอง classical physics งานแรกของทั้งคู่จึงมีเป้าหมายอยู่ที่การสร้างแบบจำลองที่ใช้ผสาน classical physics เข้ากับ quantum physics
หลังจากซุ่มพัฒนาร่วมกับ Michael Levitt ด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์ Golem ของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดอยู่สองปี ในปี 1972 Arieh Warshel กับ Martin Karplus ก็ประสบความสำเร็จ เขาทั้งคู่สร้างแบบจำลองที่อธิบายการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในโมเลกุล retinal ขึ้นมา ในแบบจำลองนั้นพวกเขาใช้ quantum physics อธิบายการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระซึ่งเป็นกุญแจหลักในการเปลี่ยนโครงสร้างของ retinal และใช้ classical physics อธิบายอิเล็กตรอนที่เหลือ วิธีนี้ทำให้คอมพิวเตอร์ประมวลผลออกมาได้โดยไม่ต้องคำนวณสถานะของอิเล็กตรอนทุกตัวในระบบ เป็นครั้งแรกในโลกที่นักวิทยาศาสตร์สามารถใส่ทั้ง quantum physics และ classical physics เข้าไว้ในแบบจำลองที่ใช้อธิบายปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นได้จริงๆ
อย่างไรก็ตาม แบบจำลองของ Arieh Warshel กับ Martin Karplus ก็ยังมีข้อจำกัด มันใช้ได้กับโมเลกุลที่มีโครงสร้างไม่ซับซ้อนเท่านั้น
หลังจาก Arieh Warshel จบปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด เขาก็ได้วนมาทำงานร่วมกับ Michael Levitt อีกครั้งที่มหาวิทยาลัยแคมบริดจ์ ทั้งคู่มุ่งหวังที่จะก้าวข้ามข้อจำกัดเรื่องขนาดของโมเลกุล งานนี้นับว่ายากเย็นกว่างานที่ตีพิมพ์ในปี 1972 หลายเท่า เขาทั้งสองทุ่มเทพัฒนาปรับปรุงแบบจำลองและสมการคณิตศาสตร์เป็นเวลาหลายปี ในที่สุดเมื่อ ค.ศ. 1976 พวกเขาก็หาทางออกได้สำเร็จ
ทางออกดังกล่าวก็คือ การออกแบบแบบจำลองให้มุ่งไปที่ใจกลางบริเวณส่วนที่เกิดปฏิกิริยาเพียงอย่างเดียว ส่วนอะตอมในบริเวณที่ไม่เกี่ยวข้องก็ยุบรวม (merge) ด้วยวิธีการที่พวกเขาพัฒนาขึ้นเพื่อลดภาระการประมวลผล (นักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาได้ปรับปรุงงานของทั้งคู่เพิ่มขึ้นอีกชั้น โดยการยุบรวมอะตอมในส่วนที่อยู่ห่างไกลจากปฏิกิริยาเข้าเป็นเนื้อเดียวกัน เป็นการเพิ่มความแม่นยำของแบบจำลองและลดภาระการประมวลผลลงไปอีกระดับในคราวเดียว)
ทุกวันนี้ผลงานที่ Martin Karplus, Michael Levitt และ Arieh Warshel ร่วมกันสร้างรากฐานได้กลายมาเป็นเครื่องมือหลักให้นักวิทยาศาสตร์ใช้ศึกษาปฏิกิริยาเคมีที่ซับซ้อนและโมเลกุลขนาดใหญ่อันมีประโยชน์ต่อมนุษยชาติอย่างมหาศาลในหลายด้าน เช่น การออกแบบยา, การสร้างโซล่าร์เซลล์, การศึกษาปฏิกิริยาที่ใช้ตัวเร่ง (catalyst) ฯลฯ และในอนาคตมันก็อาจจะเป็นบันไดที่ให้นักวิทยาศาสตร์ก้าวขึ้นไปสู่การสร้างแบบจำลองที่อธิบายปฏิกิริยาชีวเคมีของเซลล์สิ่งมีชีวิตได้ทั้งเซลล์
ที่มา - Nobel Prize Press Release, jusci.com
