Počítače simulují vlastnosti nových molekul i genů

Počítače si stále více nacházejí cestu do rozmanitých oborů lidské činnosti. Výjimkou není ani takové odvětví,...


Počítače si stále více nacházejí cestu do rozmanitých oborů lidské činnosti.
Výjimkou není ani takové odvětví, jakým je chemie. Ty tam jsou doby, kdy
vybavení chemických laboratoří sestávalo z několika zkumavek, kahanů a
odměrných válců. Při dnešním vývoji nových látek a materiálů je mnohdy nutné
začít u základních stavebních kamenů hmoty a pochopit principy chemických
reakcí. Je zřejmé, že při těchto výzkumech se již nelze bez pomoci počítačů
obejít.
Proč simulace?
Základní metodou, která se dnes v chemickém inženýrství stále více uplatňuje,
je výkonná počítačová simulace. Ta se pomalu ale jistě stává nedílnou součástí
při výzkumu a vývoji nových technologií. Reálné a spolehlivé chemické modely
dovolují vědcům a inženýrům minimalizovat množství "fyzických" experimentů
používaných při výzkumu. S její pomocí lze provádět jinak nebezpečné nebo
nákladné pokusy. Významná je také eliminace časového faktoru.
Můžeme zhruba říci, že simulace znamená náhradu zkoumaného objektu (chemických
látek či chemických procesů) počítačovým modelem. U takto vytvořeného modelu
lze pak libovolně měnit celou řadu parametrů a sledovat jeho chování za
nejrůznějších podmínek. Celý tento proces nám poskytuje velké množství
výstupních informací potřebných pro další experimentování. Velké využití
nacházejí simulační metody v takových oblastech, jako je např. molekulární,
chemická kinetika, nukleární výzkum, či zkoumání principů a podstat koroze
materiálů.
Ruleta v Monte Carlu
V oblasti molekulární chemické kinetiky, která studuje rychlosti chemických
reakcí a faktory, které rychlost těchto reakcí ovlivňují, lze simulační metody
rozdělit do 2 kategorií. Je to "Molekulární dynamická simulace" a simulace typu
"Monte Carlo".
V molekulární dynamice se používají Newtonovy pohybové rovnice pro určování
polohy a rychlosti molekul (částic) a umožňují v krátkých časových úsecích
numericky určovat takové vlastnosti soustavy, jako je energie, tlak, apod. Tyto
poznatky pak mohou vést ke spolehlivé předpovědi četností molekulárních kolizí
s přesností několika zlomků sekund. Vlivem přítomnosti intermolekulárních sil
uvnitř molekul, které jsou často velmi veliké, musíme být schopni analyzovat
velmi malé časové úseky, aby se tyto děje (kolize) daly vůbec postihnout.
Udělej (vyzkoušej) si sám
Pro člověka, který se nepohybuje v oboru, může být problémem, jak si simulaci
chemického děje vlastně představit.
Pro ty zájemce, kteří si chtějí takovou jednoduchou simulaci vyzkoušet na
vlastní kůži, respektive na vlastním počítači, je na internetové adrese
http://www. chem.uci.edu/instruction/applets/ simulation.html k dispozici
aplikace počítačové simulace chemické reakce. Celý program je napsán v jazyku
Java a z tohoto důvodu je nutné, aby ji váš prohlížeč podporoval a abyste ji
měli zapnutou (ačkoliv např. AltaVista stále tyto stránky eviduje v databázi, v
době uzávěrky procházel server přestavbou. Doufejme, že ve chvíli, kdy toto
čtete, je již vše opět v pořádku poznámka pah).
Počítačové vybavení
Náročnost simulace je v zásadě omezena pouze výkonem (rychlostí) konkrétního
počítače. Samozřejmě, že při rozsáhlých simulačních procesech nelze vystačit s
počítačem třídy PC. V takových případech přicházejí na řadu výkonné paralelní
systémy. S příchodem masivních paralelních systémů (Masive Paralel Processing)
se molekulární simulační metody stávají velkým přínosem pro "předpovídání"
vlastností skutečných látek (systémů), které jsou průmyslově využívány.
Oblasti využití
Použitím simulačních metod a za použití výkonné počítačové techniky se oblastem
molekulárního inženýrství otevírají široké možnosti při určování nových
vlastností kapalin a amorfních materiálů, které mohou být nyní přesně
optimalizovány a upraveny ještě před vlastní syntézou. Tyto metody přinášejí
velké změny např. při návrzích a vývoji nových polymerů, syntetických mazadel,
rozpouštědel apod.
Náš vložený článek se věnuje také počítačovým simulacím v oblasti genetiky.
Koroze trochu jinak
Zajímavým odvětvím, které hojně využívá simulací, je např. problematika koroze
materiálů. Je obecně známo, že koroze je problémem ve všech odvětvích lidské
činnosti. Poměrně rozvinutá je empirická znalost tohoto problému, ale obecné
podstaty a modely zatím chybí. Je také vyvinuto množství dvoua
třídimenzionálních algoritmů.
Některé z používaných modelů mají v sobě implementovány i mechanizmy pasivace
(tvorba chemicky odolné vrstvy na neušlechtilých kovech) a depasivace
(odstranění chemicky odolné vrstvy). Vlastní simulace je pak prováděna buď
zcela "virtuálně", nebo na materiálu, který je pokryt tenkou ochrannou vrstvou.
Koroze je následně iniciována porušením této vrstvy v jednom malém bodě.
Rychlostní konstanty pak při vlastní simulaci určují strukturu a velikost
zkoumaného celku.
Na modelech je také definováno reálné časové měřítko, které nám umožňuje
studovat časovou evoluci (vývoj) koroze. Získaná data z těchto simulací jsou
pak srovnávána s různými parametry a jsou hledány vztahy mezi modelovými
výsledky a vstupními hodnotami.
Simulace nukleárního zamoření
Do oblasti chemických simulací patří i modelování účinků radioaktivního
zamoření, ať už způsobeného ekologickou havárií, nebo válečným konfliktem.
Výstupy z těchto modelů obsahují např. údaje o průběhu znečištění oblasti, o
celkové délce trvání kontaminace, odhadu možných obětí apod.
Nové polymery a léky
Vlastnosti složitých molekul nejsou nahodilé, ale samozřejmě vyplývají ze
stavebních kamenů a způsobů jejich uspořádání. Pro rámcové posouzení vlastností
látek, jejichž syntéza by byla nákladná i časově náročná (i chemicky velmi
podobné látky ma-jí často zcela odlišné výrobní postupy), je metoda chemické
simulace samozřejmě velmi vhodná.
Co k tomu všemu potřebujeme?
Pro úspěšný chod simulačních programů potřebujeme samozřejmě i vhodné technické
zázemí. Rozsah použitelných technologií je velmi široký, záleží pouze na
náročnosti řešených úloh. Je třeba si uvědomit, že většina simulačních programů
je zalo žena na matematických modelech a při vlastním běhu simulačního procesu
(mnohdy v reálném čase) je vykonáváno obrovské množství dílčích výpočtů, které
nemalou měrou zatěžují systém.
S rostoucím množstvím zpracovávaných informací prudce rostou požadavky na
celkový výpočetní výkon systému. U jednoduchých simulací si tedy vystačíme se
standardním počítačem třídy PC, Apple apod. Pro řešení náročných úloh pak
přicházejí ke slovu výkonné paralelní víceprocesorové systémy.
Existuje několik typů architektur paralelních počítačů. Mezi nejrozšířenější
patří systémy SMP (Symetric Multi Processing). O překonání některých omezení
systémů SMP se snaží architektura MPP (Massive Paralel Processing). Poměrně
novou je na tomto poli technologie NUMA (NonUniform Memory Acces). Dalším
možným východiskem je vzájemná kombinace uvedených typů.
Vývojem a výrobou superpočítačových systémů se zabývá celá řada firem. Za
všechny můžeme jmenovat např. Intel, Silicon Graphics, Sun Microsystems,
Hewlett-Packard, IBM atd.
Software
Na internetových stránkách existují stovky odkazů na výrobce programů pro
chemické simulace. Mnozí z těchto výrobců dokonce vyvíjejí tyto programy přímo
"na míru" pro každého konkrétního zákazníka. Další producenti těchto užitečných
nástrojů se rekrutují z oblastí vysokých škol, univerzit a v neposlední řadě to
jsou i vývojové týmy velkých chemických koncernů, které se pochopitelně
zabývají především vývojem určeným pro vlastní potřebu.
Uvádím zde (spíše pro představu komplexní přehled by byl výrazně nad rámec
tohoto článku) několik zajímavých produktů od firem podnikajících v tomto
oboru. Internetové adresy zde neuvádím z důvodů jejich neustálých změn. V
případě zájmu o konkrétní produkt je nejlepším řešením najít si jeho aktuální
umístění pomocí některé z četných vyhledávacích služeb.
AMBER (Assisted Model Building using Energy Refinement) je soubor programů pro
molekulární dynamiku a simulace. Uplatnění nachází hlavně v oblastech analýzy
vlastností proteinů a nukleových kyselin.
Cerius2 je softwarové prostředí navržené pro usnadnění chemické počítačové
simulace. S pomocí produktu Cerius 2, jsou vědci při výzkumech schopni určovat
kritické vlastnosti látek. Uživatelé produktu si mohou snadno představit
struktury chemických systémů a předpovídat jejich vlastnosti a chování.
Prostředí programu Cerius 2 v sobě obsahuje moduly pro návrh a vývoj, simulační
a vizualizační prostředky. Program obsahuje také součásti pro modelování
biopolymerů.
Program Cerius2 ESOCS umí provádět přesné teoretické výpočty na řadě soustav
pevných látek (kovy, polovodiče apod.). Výrobcem produktu Cerius 2 je
společnost Molecular Simulations (http://www. msi.com).
gOpenMol. Nově je k dispozici první verze programu gOpenMol, který je určen pro
zobrazování a analýzu molekulárních systémů. Program je volně dostupný pro
každého zájemce bez časového omezení. Program by mělo být možné stáhnout na
adrese http://laaksonen.csc.fi/go penmol/gopenmol.html.
Gaussian. Velmi zajímavým programem je Gaussian 98 od stejnojmenné společnosti.
Tento produkt je používán spolu s výkonnými pracovními stanicemi SGI
Origin2000. Gaussian 98 slouží pro simulování velkého množství chemických
analýz a díky svým schopnostem pomáhá chemikům při objevování nových chladiv,
které nemají nežádoucí účinky na ozónovou vrstu, efektivnějších a účinnějších
léčiv...
První verze Gaussianu byla publikována v roce 1970 profesorem Johnem A.
Peoplem, renomovaným teoretickým chemikem. Za svoji činnost byl profesor People
v roce 1998 odměněn Nobelovou cenou za chemii.
GROMACS 1.3. GROMACS (GROningen MAchine for Chemical Simulation) je komplet
nástrojů pro molekulární analýzu. Obsahuje velké množství pomocných nástrojů,
např. tzv. "prohlížeč trajektorií", což je nástroj pro analýzu systémů, v nichž
hraje význam neuspořádaný pohyb molekul. Produkt mohou volně využívat
akademické instituce.
MD-Display je produkt, který umožňuje vytváření plnobarevných animovaných
sekvencí dat produkovaných při simulaci molekulární dynamiky. Za pomoci myši a
klávesnice je možno provádět libovolnou rotaci, změnu měřítka a pohyb objektu.
Další nástroje pak umožňují vytvoření "stereo" prostoru a kontrolu vlastností
animace (rychlost a směr). Uživatel pak může během vlastní animace sledovat
vzdálenosti, úhly a natočení objektů. Další zobrazovací volby pak umožňují
pozorování frekvencí a trajektorií v reálném čase.
MOIL-View je program určený pro analýzu a vizualizaci molekulárních struktur a
dynamiky. Je určen především pro pracovní stanice typu IBM RS/6000 a SGI.
Zajímavý je také projekt simulace chemické kinetiky, který vznikal ve výzkumném
středisku IBM v Almademu v San José. Jeho cílem bylo porozumění mechanizmu
chemických reakcí v oblasti anorganických a polymerových tenkých filmů.
Vytvořením modelu a následnými experimenty byly učiněny významné poznatky,
které se s úspěchem zavedly do výroby.
Další použití
Simulační procesy se nepoužívají pouze při zkoumání průběhů chemických reakcí,
ale lze je s úspěchem využít i pro navrhování a simulaci celého výrobního
procesu. Příkladem může být přesná simulace zpracování uhlovodíkových surovin
(ropa, plyn, uhlí apod.), která v sobě zahrnuje jednotlivé výrobní postupy jako
např. čištění (rafinaci), získávání vedlejších petrochemických produktů,
zpracování a úpravu plynu, chlazení apod.
Zjednodušeně řečeno nejprve si sestavíme blokové schéma celého výrobního
zařízení, na kterém následně sledujeme všechny důležité parametry (tlak,
teplotu, průtoky) celého systému. Zajímavým produktem je v této oblasti program
Design II 8.0 pro Windows společnosti WinSim, který je určen převážně pro
simulaci výrobních postupů při zpracování chemických surovin. Program má v sobě
implementovány metody pro předpovídání termodynamických vlastností látek.
Závěr
Lze říci, že hlavním přínosem nových vizualizačních a simulačních nástrojů do
oblastí chemického výzkumu je vývoj nových technologií a procesů, na které jsou
zvláště v dnešní době, která stále volá např. po ekologicky čistých
technologiích, kladeny stále vyšší nároky. Snahou snad všech výrobců je také
neustále snižovat výrobní náklady a vyvíjet nové materiály.
Je jen otázkou času, kdy budou počítače na takové úrovni, že budeme moci
sledovat v reálném čase víceméně kompletní chemické pochody a na základě takto
získaných poznatků pak budeme ještě ve větším měřítku vyvíjet zcela nové, dosud
nepoznané materiály.
9 0854 / pahn
Velkou výhodou programů dostupných na Internetu je obvykle to, že celá simulace
se jednoduše spouští v internetovém prohlížeči a tudíž nevyžaduje žádné
speciální vybavení (obvykle kromě podpory javových appletů). Popišme si teď
stručně činnost a obsluhu programu, z něhož pocházejí naše obrázky
(http://www.chem.uci.edu/instructi on/applets/simulation.html):
Po kliknutí myší na applet se nám po jeho ploše začnou neuspořádaně pohybovat
částice čtyř barev. Červená a žlutá barva představuje výchozí molekuly
(reaktanty) a zelená s modrou reprezentují výsledné produkty reakce...

Počítače analyzují lidský genetický kód
Počítače si dnes nacházejí cestu i do oblastí genetického výzkumu. Stávají se
součástí genetiky a biologie samotné a podílejí se na vytváření speciálních
počítačových modelů, které simulují chování živých organismů. Od použití těchto
modelů je mnohdy odvislý i další výzkum, který bývá natolik rozsáhlý, že se
rozrůstá do nových a zcela samostatných oborů. Při dalším využívání takto
získaných informací dochází často ke vzájemnému prolínání zcela odlišných
vědních disciplín.
Počítače otevírají na poli genetiky zcela nové možnosti výzkumu. Celá metoda je
poměrně mladá, pojem DNA computing se zrodil teprve před cca 3 roky.
Se zavedením výkonných sekvenčních programů (neboli sekvencerů) dnes počítače
zpracovávají velká množství informací za podstatně kratší dobu, než to bylo
možné dříve pomocí klasických postupů. Sekvencer je jednoduše řečeno počítač,
který umí od sebe oddělovat jednotlivé fragmenty (části) genů, určit u každého
jeho význam a stanovit jeho umístění v genové sekvenci. Významnou měrou pomáhá
vědcům při pochopení mechanismů biologických pochodů a zákonitostí.
Existuje samozřejmě mnoho nejrůznějších typů genových sekvencerů určených pro
široké spektrum počítačových platforem. Jako sekvencer lze použít PC, Apple,
ale i výkonné pracovní stanice. Pro zvýšení výpočetního výkonu a
rozšiřitelnosti se často využívají clusterová řešení. Na nejvyšší úrovni může
cluster obsahovat výkonné SMP systémy. Ať už je ale technické řešení jakékoliv,
vždy významnou měrou redukuje dobu potřebnou pro získávání nových informací a
zvyšuje tempo samotného výzkumu. Sekvencery se pomalu stávají automatizované a
nezávislé a mnohdy již pracují zcela samostatně.
Všech výše uvedených technologií se samozřejmě využívá i při studiu příčin
degeneračních či dědičných chorob. V případě použití klasických postupů jde o
velmi zdlouhavý proces, při kterém se zjišťuje "umístění" nemoci (defektu) v
chromozomu což je však pouze počáteční fáze celého procesu. S využitím počítačů
lze celý proces velmi urychlit a zjistit nemocí napadená a poškozená místa.
Pokud čtenář viděl film Jurský park, nebo četl příslušnou knihu, pak jistě ví,
že ve filmu vědci používali genové sekvencery pro studování dinosauří DNA
získané z krve komára. Napřed byly zmapovány její dochované části a ty
chybějící pak byly nahrazeny (doplněny) jinou tuším, že šlo o žabí DNA. Takto
opravenou a kompletní genetickou sekvenci pak vložili do vejce a na světě byl
"staronový" druh.
Zmíněná filmová vize zase není tak úplně nereálná. Samozřejmě, nemluvím o tom,
že by v blízké době opravdu šlo oživit dávno vymřelé druhy. Nicméně určité
postupy uvedené výše se již realizují i v případě lidské genetiky. Existuje i
reálný předpoklad, že se nám v blízké budoucnosti podaří zmapovat (prozkoumat)
celý genetický kód.
Zbývá upozornit na vztah pojmů "mapování" a "sekvencování". Sekvencování je,
zjednodušeně řečeno, prvním krokem celého procesu, to znamená, že pomáhá při
poznávání stavby jednotlivých chromozómů a určuje "umístění" jednotlivých genů.
Mapování je pak dalším krokem, při kterém dochází ke vzájemnému porovnávání
jednotlivých sekvencí a ke zjišťování informací o funkci jednotlivých genů (o
jejich významu ve zkoumaném celku). Jakmile jsou všechny tyto kroky provedeny,
můžeme říci, že máme zkoumanou část zmapovanou.
Získávání (mapování) genetických informací u člověka i jiných organizmů je
extrémně náročný proces a trvá vždy určitou dobu, než se dostaví konkrétní
výsledky.
Systém MBA 2000
od firmy Perkin-Elmer
Za všechny producenty (z nichž v počítačovém světě je samozřejmě nejznámější
Hewlett-Packard) můžeme jmenovat např. společnost Perkin-Elmer, která je
výrobcem analytických nástrojů pro genetickou analýzu, biochemii, farmaceutický
průmysl apod. Její systém MBA 2000 (viz také obrázek na stra-ně 6) je kompaktní
výpočetní systém, který konsoliduje a organizuje rutinní funkce používané při
biochemických výzkumech (se zaměřením na analýzu dlouhých řetězců, ať už se
jedná o nukleové kyseliny nebo bílkoviny). Je vybaven grafickým dotykovým
displejem a neobsahuje žádné pohyblivé součásti. Celý systém je navržen tak, že
uživatel pouze navolí požadované úlohy pomocí propracovaného menu na dotykovém
displeji. Výhodou produktu je také fakt, že MBA 2000 je snadno integrovatelný
do stávajících chemických laboratoří.
Bližší informace je možno získat na http://www.perkinelmer.com a na
http://204.255.73. 5/ai/ai.nsf/pages/mbaindex.html.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.