Özlem Keskin

İsveç Kraliyet Bilim Akademisi, 9 Ekim 2013 günü düzenlediği basın toplantısında Martin Karplus, Michael Levitt ve Areih Warshel’in “karmaşık kimyasal sistemlerin çok ölçekli modellerinin geliştirilmesine katkılarından dolayı” Nobel Kimya Ödülü’ne layık görüldüklerini açıkladı. Akademi, “Gerçek hayatı yansıtan bilgisayar modelleri, kimyada yapılan atılımların öncüsü oldu. Üç isim, Newton’un klasik fizik çalışmalarını temeli farklı olan kuantum fiziğiyle yan yana koymayı başardı” açıklamasını yaptı. Toplantıda ayrıca, söz konusu bilim insanlarının, kimyayı bilgisayar ortamına aktararak plastik top ve çubuklarla yapılan modellemeleri ortadan kaldırarak bu alanda çığır açtığı belirtildi. Böylece ilaç etkileşimlerinin yanı sıra güneş pilleri gibi gereçlerin simüle edilerek hızla test edilmesi mümkün olacak denildi.

Karplus, Levitt ve Warshel, 1960’lı yıllardan beri kimyasal süreçleri anlamak ve öngörmek için ilk bilgisayar programlarının altyapısını geliştirmeye başladılar. “Aslında bilgisayar bilimleri alanında Nobel verilmiyor, ama bizim yaptığımız iş ile Nobel bu disipline de gitmiş oldu, bu işlere başladığımızda bilgisayarların bu kadar hızlı gelişeceğini kimse tahmin edemiyordu” diyor Levitt ödül sonrasındaki konuşmasında. Aslında, üç bilim adamının geliştirildiği bilgisayar modelleri sadece kimya dünyasında değil fizik ve biyolojide de önemli gelişmelere ön ayak oldu, rol oynadı.

Üç bilim insanının yolları kariyerlerinin başında iken belli evrelerde kesişir. 1960ların sonunda, Karplus kuantum hesaplamalarını kullanarak bir kimyasal reaksiyonu (H2+H à H + H2)  simüle edip, enerji yüzeyini çıkaran ilk bilgisayar programlarını geliştirir. Illinios Üniversitesi’nde ilk bilgisayar programını yazmaya başlayacağı zaman, ülkenin en büyük bilgisayarlarından birini kullanmaya başlar: Bu bilgisayarın hafızası sadece 1000 kelimedir! Şunu da belirtmekte fayda var, kuantum hesapları ile karmaşık ve büyük sistemleri simüle edecek bellek ve hıza günümüz bilgisayarları bile sahip değil henüz!. Karplus 1969 yılında Harvard’dan altı ay sabatik izin alarak Weizmann Enstitüsü’ne Shneior Lifson’ın labına gider. Lifson’ın polimer teorisindeki bilgisi,  Weizmann’ın bilgisayar ve kütüphane olanaklarının çok iyi olması bu seçiminde etken olur. Karplus, orada moleküler mekanik ve özellikle empirik potansiyel enerji fonksiyonları geliştirme konularında çalışmakta olan Lifson ve doktora öğrencisi Warshel ile bilimsel olarak etkileşimde bulunur. Bu sıralarda bu fonksiyonlar ile biyolojik makromoleküllerin yapılarının tahmin edilebileceğini düşünmeye başlar Karplus.

Aynı zamanlarda, Levitt İngiltere’de fizik lisans eğitimini tamamlar ve Cambridge’deki Moleküler Biyoloji Lab’ına doktora yapmak için başvurur ama kabul alamamıştır. Ancak bir sonraki sene için kabul alabilmiştir. Aradaki bir seneyi İsrail’de Weizmann Enstitüsü’ndeki Shneior Lifson’un yanında geçirmeye karar verir. Lifson ve doktora öğrencisi Warshel o sıralarda büyük molekülleri tanımlamak için kuvvet alanları üzerinde çalışıyorlardı. Levitt’in İsrail ziyareti sırasında kimyasal yapıları betimleyen ve klasik mekanik prensipleri kullanan bilgisayar programları üzerinde birlikte çalışmaya başlarlar. Bir kaç ay içinde bir moleküler sisteminin enerjisini, kuvvetini (enerjnin atomik pozisyonlara göre ilk türevi) ve eğriliğini (enerjinin ikinci türevi) hesaplayan bir program ortaya çıkarırlar. Levitt bu program ile tarihin ilk protein (miyoglobin) enerji minimizasyonunu yapar (1967).  Levitt ve Warshel daha sonraki zamanlarda da birlikte çalışmaya devam ederler. Geliştirdikleri program büyük moleküllerin yapısını tanımlamada oldukça başarılı olmasına rağmen kimyasal reaksiyonları anlamak için gerekli olan kuantum mekanik prensipleri gözönüne almıyordu.

Warshel 1970’de, Karplus’un Harvard’daki grubuna doktora sonrası araştırmacı olarak katılır, ve beraberinde İsrail’de geliştirmiş oldukları modelleme programını da getirir. Warshel ve Karplus birlikte retinal’in ışığa karşı tepkisini kuantum ve klasik mekaniği birleştirerek modellemeye karar verirler. 1972’de  retinal projesinde başarılı olurlar. Günümüzde enzim reaksiyonlarını incelemek için kullanılan Kuantum Mekanik/Moleküler Mekanik (QM/MM) metotlarının ilk örneği ortaya çıkmış olur. Daha sonra, Karplus’ın Bruce Gelin isimli doktora öğrencisi Warshel ve Levitt’in modelleme programı ile Karplus’ın kuantum mekanik programı birleştirilerek, proteinlerin ilk enerji minimizasyon ve dinamik hesaplamalarını yapmaya koyulmuştur.  Böylece tarihin ilk modern moleküler dinamik hesaplamalı kimya programı (Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics, CHARMM) ortaya çıkar.

Karplus’ın otobiyografisini okuyunca, insana üç şeyin başarısı için önemli olduğunu anlar: Kendisini yenileyebilmek ve yeni konulara girebilmek için her beş senede bir üniversite değiştirdiğini, ve bulunduğu yerlerde çevresinde bulunan çok iyi bilim insanları ile her fırsatta bilim tartışıp yeni şeyler öğrenmeye çalıştığını….Ve bir problemin çözülebilir olduğunu düşündüğü zamana kadar bekleyip sonra onun üzerinde çalışmaya başladığını…

Levitt’in 2001 yılında “Hesaplamalı Biyolojinin Doğuşu” isimli makalesindeki kapanış cümleleri oldukça çarpıcı:  “Bilgisayarlar biyoloji için yapılmıştır: Biyoloji bilgisayar gücündeki artış olmasaydı asla bugünkü gibi gelişemeyecekti. Bir gün karmaşık biyolojik süreçleri, hatta belki de bir organizmanın gen sekans bilgilerinden o organizmanın fenotipini simule edebilmek isteyeceğiz.”.

Kısaca, üç bilim adamının çığır açan çalışmaları, Newton’un klasik fiziğini, kuantum fiziği ile bir araya getirmekti. Daha önce kimyacılar, ikisinden birini tercih etmek zorundaydı. Büyük moleküllerin incelenmesi için kullanılan klasik fizik, kimyasal reaksiyonları canlandırmakta yetersiz kaldığı için kimyacılar, kuantum hesaplamlarından yararlanıyorlardı. Çok büyük hesaplama gücü gerektiren kuantum işlemleri, sadece küçük moleküller için kullanılabiliyordu. Karplus, Levitt ve Warshel’in çalışmaları sayesinde günümüz bilim insanları  için bilgisayarlar, test tüpleri kadar önem kazandı. Bilgisayar programları ile yapılan simülasyonlar, geleneksel deneylerin sonuçlarını öngörebilecek kadar gerçekçi hale geldi.

Avusturya’nın başkenti Viyana’da 1930’da doğan Karplus, 8 yaşındayken Nazi’lerden kaçarak Amerika’ya taşınıyor. 1953’te California Teknoloji Enstitüsü’nde doktorasını tamamladı. Hem ABD hem de Avusturya vatandaşı olan Karplus, 1979 yılından bu yana Harvard Üniversitesi’nde görev yapıyor. Aynı zamanda ve Strasbourg Üniversitesi’nde görev yapmaktadır. Güney Afrika’nın Pretoria kentinde 1947’de doğan Levitt, 1971’de İngiltere’deki Cambridge Üniversitesi’nde doktorasını tamamladıktan sonra ABD’deki Stanford Üniversitesi Tıp Fakültesi Kanser Araştırmaları Bölümü’nde çalışmaya başladı. Levitt, hem İngiliz hem de ABD vatandaşı. İsrail’de 1940 yılında dünyaya gelen Warshel, 1969’da Weizmann Bilim Enstitüsü’nden mezuniyetinden bu yana Los Angeles’taki Güney California Üniversitesi’nde kıdemli profesör olarak çalışıyor. Warshel, hem İsrail hem de ABD vatandaşı.

 

Kaynaklar:

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/advanced-chemistryprize2013.pdf

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/popular-chemistryprize2013.pdf

http://www.kimyablog.com/bilgisayarla-deney-mi-yapilirmis-demeyin-2013-nobel-kimya-odulu/

M. Karplus, Spinach on the Ceiling: A Theoretical Chemist’s Return to Biology, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 2006. 35:1–47.

M. Levitt, “The birth of computational structural biology”, Nature struct Biol. 2001. 8: 392-393.