De löser livets gåtor virtuellt

Lösningen i den lilla glasbehållaren är lätt grönaktig. Peter Brzezinski, professor i biokemi vid Stockholms universitet, tittar på när en nanosekund kort laserpuls far genom det gröna. Där inne döljer sig cytokromoxidas, ett enzym som de flesta levande organismer är beroende av. När du andas hamnar syret i ditt cytokromoxidas, en viktig del av cellernas energikraftverk. Det fungerar lite som en generator som laddar ett batteri. Cytokromoxidas skapar en elektrisk potential som cellen använder för att generera energifyllda molekyler.

Peter Brzezinski vill veta exakt hur denna generator fungerar, in i minsta detalj. När laserpulsen träffar det gröna enzymet kickar den i gång ett blixtsnabbt kemiskt händelseförlopp. Elektroner börjar hoppa mellan olika metalljoner inne i cytokromoxidaset.

– Det blir som en elektrisk ström som enzymet använder för att pumpa positivt laddade protoner, men det är inte självklart hur det går till, säger Peter Brzezinski.

Han kan delvis följa förloppet eftersom metallatomerna byter färg i takt med att elektronerna hoppar. Men exakt vad dessa färgskiftningar betyder, kan han bara gissa sig till. Här kommer 2013 års Nobelpris i kemi in i bilden. Peter Brzezinski skickar sina data till en av pristagarna, Arieh Warshel, som hjälper honom att tolka resultaten. Det har inte varit någon lätt uppgift.

– Vi kämpar med att förstå det här. När jag väl har börjat med någonting, ogillar jag att ge upp, säger Arieh Warshel.

Redan som ung student blev han nyfiken på hur enzymer fungerar. De styr över livets kemi och kan öka hastigheten på reaktioner hundratusen miljarder gånger – ofattbart mycket. Under sin utbildning på 1960-talet experimenterade Arieh Warshel med kymotrypsin, ett enzym i tarmen som bryter ner proteinerna vi äter. Men experimenten blev en besvikelse. För att få en ledtråd till hur enzymet fungerade, mixtrade han med förutsättningarna. Bland annat försökte han döda reaktionen genom att hälla salt i lösningen.

– Men det spelade ingen roll vad jag gjorde. Det hände ingenting i alla fall, säger Arieh Warshel.

Nu delar han Nobelpriset i kemi med Martin Karplus och Michael Levitt, eftersom de har gjort det möjligt att låta en dator räkna ut hur kemiska reaktioner i stora molekyler går till. Storheten ligger i att de lyckades få fysikens två stora teoribyggen, Newtons klassiska fysik och kvantfysiken, att samarbeta. Den som tidigare ville modellera kemiska molekyler fick välja antingen eller. Den klassiska fysikens beräkningar kräver ganska lite datorkraft och det gick att räkna på stora molekyler, som enzymer.

– Men dessa program kunde inte hantera brytningen av kemiska bindningar, säger Arieh Warshel.

Den som ville studera kemiska reaktioner måste i stället använda kvantfysik. Styrkan med den är att den är fördomsfri. Risken för att en forskare bygger in sina egna förutfattade meningar i datormodellen är minimal. Men kvantfysikens ekvationer är otroligt krävande, och med 1970-talets datorkapacitet gick det bara att räkna på riktigt små molekyler. Tack vare den dörr som årets Nobelpristagare öppnade mellan de två världarna, går det numera att räkna på kemiska reaktioner i väldigt stora molekyler. Forskarna simulerar den kemiska reaktionen med kvantfysik, som ger en detaljrik beskrivning av förloppet. Resten av molekylen, som är mindre intressant, behandlas med enklare klassisk fysik. Här får forskare en sämre, men tillräckligt bra, upplösning.

Till en början var experimentalisterna skeptiska till datorsimuleringar. Numera ber de ofta Arieh Warshel om hjälp för att knäcka svåra enzymgåtor. Men svaret uppskattas inte alltid. Dels för att det ofta talar emot etablerade teorier, dels för att många vill vara först med en upptäckt.

– Många vill egentligen lösa sina problem själva. Datorn, med all sin kraft, ger ett orättvist försprång, säger Arieh Warshel.

Men vissa nötter är svåra att knäcka även för datorn. För att avslöja cytokromoxidasets hemligheter krävs att teori och experiment samverkar.

– Arieh Warshel får experimentella data av oss, så räknar han och kommer med olika förklaringar som vi får testa. Det är ett växelspel mellan oss, säger Peter Brzezinski.

Arieh Warshel tänker inte ge upp förrän han vet hur elektron- och protonströmmarna flyter i enzymet. Envishet är ett kännetecken för honom.

– Jag har en Rubiks kub hemma. Jag har aldrig lyckats lösa den, men jag gör ett försök varje dag. Den är numera så sliten att det knappt går att snurra på den, säger Arieh Warshel.

Han har varit på Nobelfesten en gång tidigare, år 1988, när kemipriset gick till forskning om fotosyntesen. Även denna livsviktiga kemiska reaktion har Arieh Warshel räknat på.

Den 10 december kommer han själv stå i händelsernas centrum. Hur det kommer att bli kan inte ens kvantfysikens ekvationer förutspå.

Pristagarna: Kemipriset 2013

Martin Karplus, är född 1930 i Wien, Österrike. Professor emeritus i kemi, Harvard university, Massachusetts, USA, och verksam vid Université de Strasbourg i Frankrike.

Michael Levitt, är född 1947 i Pretoria, Sydafrika. Professor i cancerforskning, Stanford university school of medicine, Kalifornien, USA.

Arieh Warshel, är född 1940 i Kibbutz Sde-Nahum, Israel. Professor i kemi, University of Southern California, Los Angeles, USA.