Νόμπελ Χημείας 1998 - Τα Computers στην υπηρεσία της Χημείας!

  Το Νόμπελ Χημείας το 1998  αφορά τον τομέα της Κβαντικής Χημείας και δόθηκε  στους : WALTER KOHN (Πανεπιστήμιο Santa Barbara of California) και στον JOHΝ A. POPLE (Πανεπιστήμιο Northwestern, Evanston, Illinois).
  Η ανάπτυξη της Κβαντικής Μηχανικής στη Φυσική, στις αρχές του 1900, άνοιξε νέες δυνατότητες, αλλά οι εφαρμογές τους στη Χημεία θα αργούσαν να πραγματοποιηθούν. Αυτό συνέβη επειδή δεν ήταν πρακτικά δυνατόν να χειριστούν τις πολύπλοκες μαθηματικές σχέσεις της Κβαντικής Μηχανικής για τέτοια πολύπλοκα συστήματα όπως τα μόρια.
  Ο ίδιος ο Dirac, ένας από τους θεμελιωτές της Κβαντικής Φυσικής, είπε το 1929: "οι θεμελιώδεις νόμοι που είναι απαραίτητοι για τη μαθηματική μελέτη μεγάλου μέρους της Φυσικής και της Χημείας είναι γνωστοί, αλλά η δυσκολία βρίσκεται στο γεγονός ότι η εφαρμογή τους οδηγεί σε εξισώσεις που είναι πολύ σύνθετες για να λυθούν".
 Τα πράγματα άρχισαν να κινούνται στις αρχές του 1960, όταν τα computers χρησιμοποιήθηκαν για να λύσουν αυτές τις εξισώσεις, και η Κβαντική Χημεία (η εφαρμογή της Κβαντικής Μηχανικής σε χημικά προβλήματα) άρχισε σαν ένας νέος κλάδος στη Χημεία. Καθώς πλησιάζουμε στο τέλος της δεκαετίας του 1990, βλέπουμε το αποτέλεσμα μιας τεράστιας θεωρητικής και υπολογιστικής ανάπτυξης και οι συνέπειες είναι επαναστατικές για τη Χημεία στο σύνολό της.
   Ο συμβατικός υπολογισμός των ιδιοτήτων των μορίων βασίζεται στην περιγραφή της κίνησης του καθενός ηλεκτρονίου χωριστά. Γι' αυτό τον λόγο τέτοιου είδους μέθοδοι είναι μαθηματικά πολύπλοκες.
   Ο Walter Kohn έδειξε ότι δεν είναι απαραίτητο να λαμβάνουμε υπόψη μας την κίνηση κάθε ηλεκτρονίου, αλλά είναι αρκετό να γνωρίζουμε πού βρίσκεται ο μέσος όρος ηλεκτρονίων. Αυτό οδήγησε σε μια απλούστερη υπολογιστική μέθοδο που ο Κohn την ονόμασε Λειτουργική Θεωρία της Πυκνότητας (Density - Functional Theory). Η απλότητα της μεθόδου δίνει τη δυνατότητα να μελετηθούν πολύ μεγάλα μόρια. Σήμερα, για παράδειγμα, υπολογισμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εξηγήσουμε πως γίνονται οι ενζυματικές αντιδράσεις. Χρειάστηκαν γύρω στα 30 χρόνια και πολλοί ερευνητές για να γίνουν αυτοί οι υπολογισμοί εφαρμόσιμοι και η μέθοδος αυτή να είναι από τις πλέον διαδεδομένες στην Κβαντική Χημεία.
  Σήμερα χρησιμοποιείται σε μελέτες πολυάριθμων τομέων χημικών προβλημάτων, από τον υπολογισμό της γεωμετρικής δομής των μορίων έως την καταγραφή χημικών αντιδράσεων.
  Ο John A. Pople βραβεύτηκε για την ανάπτυξη υπολογιστικών μεθόδων καθιστώντας δυνατή τη θεωρητική μελέτη των μορίων, τις ιδιότητές τους και πώς ενεργούν μαζί σε χημικές αντιδράσεις. Αυτές οι μέθοδοι βασίζονται στους θεμελιώδεις νόμους της Μηχανικής, όπως προσδιορίστηκαν ανάμεσα σε άλλους από τον Φυσικό Ε. Schrodinger. Ένα computer "ταΐζεται" με λεπτομέρειες ενός μορίου ή μιας χημικής αντίδρασης και το "αποτέλεσμα" είναι μια περιγραφή των ιδιοτήτων αυτού του μορίου ή πώς γίνεται μια χημική αντίδραση. Το αποτέλεσμα συχνά χρησιμοποιείται με σχήματα ή γραφικές παραστάσεις, για να εξηγήσει τα αποτελέσματα διαφόρων ειδών πειραμάτων. O John A. Pople έκανε τις υπολογιστικές τεχνικές του εύκολα προσιτές σε ερευνητές σχεδιάζοντας το πρόγραμμα Gaussian για computer.
  Η πρώτη έκδοση δημοσιεύτηκε το 1970. Το πρόγραμμα από τότε έχει αναπτυχθεί και χρησιμοποιείται τώρα από χιλιάδες ερευνητές σε Πανεπιστήμια και εμπορικές εταιρείες παγκοσμίως. O Pople ήταν ικανός στις  αρχές του 1990 να συμπεριλάβει την πυκνωτική θεωρία του Kohn.
  Σύμφωνα με τις νέες μεθόδους των Walter Kohn και John A. Pople καθόμαστε μπροστά σε ένα computer και ξεκινάμε το πρόγραμμα Κβαντικής Χημείας. Επιλέγουμε ένα μόριο το οποίο θέλουμε να μελετήσουμε π.χ. το αμινοξύ κυστεΐνη. Το computer σχεδιάζει μια πρόχειρη εικόνα του μορίου στην οθόνη. Δίνουμε εντολή στο computer να προσδιορίσει τη γεωμετρία του μορίου με ένα κβαντικό χημικό υπολογισμό. Μπορεί να πάρει ένα λεπτό, αν είμαστε ευχαριστημένοι με ένα πρόχειρο αποτέλεσμα, ή μια ημέρα, αν θέλουμε μεγάλη ακρίβεια. Η εικόνα της οθόνης σταδιακά αλλάζει προς μεγαλύτερη ακρίβεια, έως το επίπεδο που θέλουμε να φτάσουμε. Όταν αυτή η λειτουργία τελειώσει, μπορούμε να ζητήσουμε από το computer να υπολογίσει διάφορες ιδιότητες για το σύστημα π.χ. πυκνότητα ηλεκτρονίων που μπορεί να φαίνεται με διάφορα χρώματα.
 Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προβλεφθεί πώς το μόριο αλληλεπιδρά με άλλα μόρια π.χ. πως οι πρωτεΐνες που σχηματίζονται από αμινοξέα αλληλεπιδρούν με διάφορα φάρμακα.
       Πώς γίνεται ψηλά στην ατμόσφαιρα η καταστροφή του όζοντος από τα Freons ;
 Με κβαντικούς χημικούς μηχανισμούς μπορούμε να περιγράψουμε αυτές τις αντιδράσεις με λεπτομέρεια και να τις καταλάβουμε. Αυτή η γνώση μπορεί να μας βοηθήσει να προχωρήσουμε στο να κάνουμε καθαρότερη την ατμόσφαιρά μας.
  Ποιο θα είναι άραγε το αύριο ; Ο συνδυασμός Εικονικής Πραγματικότητας (Virtual Reality) των προγραμμάτων των computer και η Κβαντική Χημεία υπόσχονται μια συναρπαστική συνέχεια . . .

Νόμπελ Iατρικής 1998 –Το ΝΟ  από τη ρύπανση της ατμόσφαιρας,
βοηθός στις καρδιοαγγειακές παθήσεις - και όχι μόνο . . .

  Το μονοξείδιο του αζώτου (ΝΟ) βρέθηκε ότι μεταβιβάζει σήματα στον οργανισμό. Η ανακάλυψη ότι η μετάδοση από ένα αέριο που παράγεται σε ένα κύτταρο, διεισδύει μέσω μεμβρανών και ρυθμίζει τη λειτουργία ενός άλλου κυττάρου είναι μία εντελώς καινούργια αρχή για τη μετάδοση σημάτων σε βιολογικά συστήματα.
 Η δράση αυτή του ΝΟ διαπιστώθηκε στη διάρκεια του '80 από τους Robert Furchgott, Ferid Murad και Louis Ignarro, που μοιράστηκαν το φετινό Νόμπελ Ιατρικής.
  Το ΝΟ είναι γνωστό ότι παράγεται σε βακτηρίδια, αλλά δεν ήταν αναμενόμενο να είναι σημαντικό σε ανώτερα ζώα, όπως τα θηλαστικά.
        Περισσότερες έρευνες επιβεβαίωσαν ότι το ΝΟ είναι μόριο - σήμα για το καρδιοαγγειακό σύστημα και βρέθηκε ακόμα ότι προκαλεί μια σειρά άλλων λειτουργιών. Σήμερα γνωρίζουμε ότι το ΝΟ δρα επίσης ως μόριο - σήμα στο νευρικό σύστημα, ως όπλο ενάντια στις μολύνσεις, ως ρυθμιστής της πίεσης του αίματος και παράγεται από πολλά διαφορετικά είδη κυττάρων.

  Η νιτρογλυκερίνη και το ΝΟ

  O Alfred Nobel ανακάλυψε τη δυναμίτιδα, προσθέτοντας στην "ευαίσθητη" νιτρογλυκερίνη αδρανείς ύλες, ώστε να μην εκρήγνυται με το παραμικρό. Όταν ο Nobel αρρώστησε από καρδιακό νόσημα, ο γιατρός του συνέστησε νιτρογλυκερίνη.
 Ο Nobel αρνήθηκε να την πάρει, γνωρίζοντας ότι προκαλούσε πονοκέφαλο και απέκλεισε τη δυνατότητα να σταματά τον πόνο στο στήθος. Σε ένα γράμμα έγραφε χαρακτηριστικά : "Είναι ειρωνικό το γεγονός ότι ο γιατρός μου είπε να φάω νιτρογλυκερίνη"!
  Από τον προηγούμενο αιώνα όμως είναι γνωστό ότι αυτό το εκρηκτικό έχει ευεργετική ενέργεια στον πόνο στο στήθος. Παρ' όλα αυτά, χρειάστηκαν 100 χρόνια μέχρι να ξεκαθαριστεί ότι η νιτρογλυκερίνη ενεργεί μ’ αυτό τον τρόπο, επειδή ελευθερώνει ΝΟ . . .