ഐറിസ്: വിദ്യാഭ്യാസം

ഈ വർഷത്തെ രാസശാസ്ത്രത്തിനുള്ള നൊബേൽ, കമ്പ്യൂട്ടേഷണൽ രാസശാസ്ത്രജ്ഞരായ മാർട്ടിൻ കാർപ്ലസ്, മൈക്കൽ ലെവിറ്റ്, ആരിയെ വാർഷെൽ എന്നിവർക്ക് ലഭിച്ചത്, ഇവർ രൂപപ്പെടുത്തിയ ജ്ഞാനശാഖയിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്ന ഒരാൾ എന്ന നിലയ്ക്ക് വ്യക്തിപരമായിത്തന്നെ എനിക്ക് സന്തോഷം തോന്നിയ ഒന്നായി. വളരെ സങ്കീർണമായ ഘടനയുള്ള പ്രോട്ടീൻ പോലുള്ള ബൃഹദ്തന്മാത്രകളെയും അവയുൾപ്പെടുന്ന രാസപ്രവർത്തനങ്ങളെയും പഠിക്കുവാനും മനസ്സിലാക്കുവാനും സഹായിക്കുന്ന രീതിയിൽ, ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രം, മോളിക്യുലാർ മെക്കാനിക്സ് (തന്മാത്രാ ബലതന്ത്രം ?) എന്നീ കമ്പ്യൂട്ടിംഗ് രീതികളെ സം‌യോജിപ്പിച്ച് നൂതനമായൊരു കമ്പ്യൂട്ടേഷണൽ സങ്കേതം വികസിപ്പിച്ചതിനാണ് ഇവർക്ക് നൊബേൽ സമ്മാനം നൽകപ്പെട്ടത്.
മുകളിലെ ചിത്രത്തിൽ ന്യൂട്ടനും ആപ്പിളും ന്യൂട്ടോണിയൻ ഭൗതികത്തിലധിഷ്ഠിതമായ മോളിക്യുലാർ മെക്കാനിക്സിനെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നുവെങ്കിൽ, പൂച്ചയും പെട്ടിയും (Schrodinger's cat) ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രത്തെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു. തന്മാത്രകളെയും രാസപ്രവർത്തനങ്ങളെയും പഠിക്കാനുപയോഗിക്കുമ്പോൾ തികച്ചും വേറിട്ട സവിശേഷതകളാണ് ഈ രണ്ടു സങ്കേതങ്ങൾക്കുമുള്ളത്.

മോളിക്യുലാർ ഡൈനാമിക്സിൽ, ന്യൂട്ടന്റെ രണ്ടാം ചലനനിയമമുപയോഗിച്ച് (F=ma) ഒരു ബൃഹദ്തന്മാത്രയുടെ സമയബന്ധിതസ്വഭാവമാണു പഠിക്കുന്നത്. ഈ തന്മാത്രയിലടങ്ങിയിരിക്കുന്ന ഓറ്റോ ആറ്റത്തെയും മെക്കാനിക്കൽ സ്വഭാവമുള്ള ഓരോ പാർട്ടിക്കിളുകളായാണ് പരിഗണിക്കുന്നത്. സമയത്തിനനുസരിച്ച്, ഓരോ ആറ്റത്തിന്റെയും സ്ഥാനത്തിലുള്ള മാറ്റം കണക്കാക്കുകയും അതിൽ നിന്നും, ഓരോ ആറ്റത്തിലും ഏല്‍പ്പിക്കപ്പെടുന്ന force കണക്കാക്കുകയും പിന്നീട് ഈ force ഉപയോഗിച്ച് തന്മാത്രയുടെ ഊർജ്ജനിലയെ വിശദീകരിക്കുന്ന Born-Oppenheimer surface കണ്ടെത്തുകയുമാണു ചെയ്യുന്നത്. പ്രോട്ടീനുകളും ഡി.എൻ.എയും പോലുള്ള ബൃഹദ്തന്മാത്രകളുടെ ഘടനയെ കാര്യമായ കമ്പ്യൂട്ടർ ശേഷി ഉപയോഗിക്കാതെ തന്നെ പഠിക്കാനാകും എന്നതാണ് മോളിക്യുലാർ മെക്കാനിക്സിന്റെ സവിശേഷത.

എന്നാൽ രാസപ്രവർത്തനങ്ങളിൽ ആറ്റങ്ങളെ തമ്മിൽ കണക്ട് ചെയ്യുന്ന കെമിക്കൽ ബോണ്ടുകൾ പൊട്ടുകയും പുതിയ ബോണ്ടുകൾ രൂപപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നതുകൊണ്ട്, രാസപ്രവർത്തനങ്ങളെക്കുറിച്ച് പഠിക്കാൻ ഈ മെത്തേഡ് പര്യാപ്തമല്ല. അതിനായി ഓരോ ആറ്റത്തെയും വിശദാംശങ്ങളോടെ പരിഗണിക്കുന്ന ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രം(Quantum Mechanics) തന്നെ ഉപയോഗിക്കണം. എന്നാൽ ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രം ഉപയോഗിച്ചുള്ള സങ്കീർണമായ കമ്പ്യൂട്ടേഷനുകൾ കൂടുതൽ കമ്പ്യൂട്ടർ ശേഷിയും സമയവും ആവശ്യപ്പെടുന്നു. അതുകൊണ്ട് താരതമ്യേന വലിപ്പം കുറഞ്ഞ തന്മാത്രകൾ മാത്രമേ ക്വാണ്ടം ബലതന്ത്രംഉപയോഗിച്ച് പഠിക്കാനാകൂ.

പ്രോട്ടീനുകൾ പോലുള്ള ബൃഹദ്തന്മാത്രകൾ ഉൾപ്പെടുന്ന രാസപ്രവർത്തനങ്ങൾ പഠിക്കാനുതകുന്ന രീതിയിൽ മോളിക്യുലാർ മെക്കാനിക്സിനെയും ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സിനെയും സം‌യോജിപ്പിച്ചതാണ് ഈ വർഷത്തെ നൊബേൽ സമ്മാനം നൽകപ്പെടുന്നത്. പ്രോട്ടീനുകളിലൊക്കെ പ്രധാനരാസപ്രവർത്തനങ്ങളൊക്കെ നടക്കുന്നത് Active site എന്ന പേരിലറിയപ്പെടുന്ന ഒരു ചെറിയ ഭാഗത്തായിരിക്കും. മറ്റുള്ള ഭാഗങ്ങൾ പ്രോട്ടീനിന്റെ ഘടനയുടെ ഭാഗമാണെങ്കിലും രാസപ്രവർത്തനങ്ങളിൽ നേരിട്ടു പങ്കെടുക്കണമെന്നില്ല. മാർട്ടിൻ കാർപ്ലസ്, മൈക്കൽ ലെവിറ്റ്, ആരിയെ വാർഷെൽ എന്നിവർ ചേർന്ന രൂപപ്പെടുത്തിയ മെത്തേഡിൽ, ഒരേ തന്മാത്രയെത്തന്നെ പല തട്ടുകളായി തിരിച്ച്, ഒരേ സമയം പല തലത്തിലുള്ള തിയറി ഉപയോഗിച്ച് പഠിക്കാനാകും.

ഈ ചിത്രത്തിൽ, (മെറ്റലോതയോനീൻ എന്ന പ്രോട്ടീനിന്റെ β-ഡൊമൈൻ) വൃത്തത്തിനുള്ളിലെ, ball & stick model കാണിച്ചിട്ടുള്ള ഭാഗങ്ങൾ ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സ് ഉപയോഗിച്ചും, വൃത്തത്തിനു വെളിയിലുള്ള ഭാഗങ്ങൾ മോളിക്യുലാർ മെക്കാനിക്സ് ഉപയോഗിച്ചും ഒരേസമയം പഠിക്കുന്നു. QM/MM എന്നാണ് ഈ സങ്കേതത്തിനു പേര്. ഇതിൽ വൃത്തത്തിനുള്ളിലെ (ആക്ടീവ് സൈറ്റ്) രാസപ്രവർത്തനങ്ങൾ കൂടുതൽ വിശദാംശങ്ങളോടെ പഠിക്കുമ്പോൾ, വൃത്തത്തിനു പുറത്തുള്ള ഭാഗങ്ങൾ പ്രോട്ടീനിന്റെ ഘടനാപരമായ സവിശേഷതകൾ നിലനിർത്താൻ സഹായിക്കുന്നു. വേണമെങ്കിൽ മൂന്നാമതൊരു ലെയറു കൂടി ചേർത്ത് മീഡിയം ഏതാണെന്നതിന്റെ വിശദാംശം കൂടി ഉൾപ്പെടുത്താവുന്നതാണ്. മൂന്നു ലെയർ വരെ ഒരേ സമയം കമ്പ്യൂട്ട് ചെയ്യാവുന്ന പ്രോഗ്രാമുകൾ ഇന്ന് കൊമേഴ്സ്യലായി തന്നെ ലഭ്യമാണ്.

നൊബേൽ സമ്മാനാർഹമായ ഗവേഷണങ്ങൾ നടന്നതൊക്കെ 70-കളിലാണെങ്കിലും 90-കളുടെ അവസാനത്തോടെയാണ് ഈ സങ്കേതം ഉപയോഗിക്കാനാവശ്യമായ കമ്പ്യൂട്ടിംഗ് പവർ സാധാരണ യൂണിവേഴ്സിറ്റികളിലൊക്കെ ലഭ്യമായത്. Gaussian.com എന്ന കമ്പനി പുറത്തിറക്കുന്ന, മോളിക്യുലാർ മോഡലിംഗ് പഠനങ്ങൾക്കായി പരക്കെ ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്ന ഗൗഷ്യൻ എന്ന പ്രോഗ്രാമിന്റെ 2003 വേർഷനിലാണ്QM/MM മെത്തേഡ് ആദ്യമായി ലഭ്യമായത് (ONIOM എന്ന പേരിൽ). കൂടുതൽ നവീകരിച്ച 2009 വേർഷൻ ലഭ്യമാകുകയും കമ്പ്യൂട്ടിംഗ് പവർ ഏറെ വർദ്ധിക്കുകയും ചെയ്തതോടെ ഒരു dual core പ്രോസസർ ഉപയോഗിച്ചു തന്നെ പ്രോട്ടീൻ മോഡലിംഗ് നടത്താമെന്ന സ്ഥിതിയായിട്ടുണ്ട്. Gaussian കൂടാതെ ORCA, GAMESS, TINKER എന്നിങ്ങനെ, സൗജന്യമായതും അല്ലാത്തതുമായ അനേകം പ്രോഗ്രാമുകളും ഇന്നു ലഭ്യമാണ്.