M. Karplus, M. Levitt et A. Warshel recevront le Prix Nobel de chimie pour le développement de modèles de réactions chimiques

2013/10/09 Carton Virto, Eider - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Martin Karplus, Michael Levitt et Arieh Warshel sont les Prix Nobel de chimie 2013, selon la Fondation Nobel, « pour le développement des voies pour mettre en œuvre la physique classique de Newton et la physique quantique radicalement différente ».

Les trois lauréats ont travaillé sur le développement de programmes de simulation par ordinateur de réactions chimiques. Aujourd'hui, ces programmes sont un outil habituel dans les laboratoires de chimie, qui simulent toutes sortes de réactions et de processus chimiques, industriels et biologiques. Ces programmes sont le résultat du travail révolutionnaire réalisé par Karplus, Levitt et Warshel dans les années 70.

La révolution était d'unifier la physique classique et la physique quantique dans un même programme. Et c'est que jusqu'alors, soit ils étaient basés sur la physique classique, soit les chimistes devaient choisir des programmes basés sur la physique quantique. Et chacun avait ses avantages et limitations.

Ceux qui se basaient sur la physique classique avaient la capacité de calculer et de traiter de grandes molécules, étaient bons pour représenter comment les atomes sont placés dans les molécules, mais ne pouvaient pas être utilisés pour représenter et calculer des réactions chimiques, car l'échelle de la réaction chimique est le domaine de la physique quantique. Pour représenter les réactions chimiques sur l'ordinateur, les chimistes devaient recourir à des programmes basés sur la théorie de la physique quantique, où la limitation était la capacité de calcul. En fait, l'ordinateur devait traiter tous les électrons et noyaux atomiques de la molécule, ce qui, dans les années 1970, supposait en pratique qu'ils ne pouvaient simuler par ordinateur que de très petites molécules.

Le meilleur de deux mondes

Karplus, Levitte et Warshel ont recueilli dans un seul programme le meilleur de deux mondes. Le résultat a été publié en 1976: le programme appliquait des modèles de physique quantique dans la zone active de la molécule, où la réaction chimique se produit, et les modèles de physique classique dans les champs de la molécule non actifs. Ainsi, avec un temps raisonnable et une capacité de calcul, la possibilité de simuler des réactions et des processus chimiques dans l'ordinateur a été ouverte.

La physique classique et la physique quantique se trouvent à l'Université de Harvard en 1970, lorsque Levitt, qui vient de terminer sa thèse de doctorat, déménage d'Israël aux États-Unis et commence au laboratoire de Karplus. L'équipe de Karplus avait développé des programmes informatiques basés sur la physique quantique pour simuler des réactions chimiques. Levitt, de son côté, a développé en Israël un programme basé sur la physique classique, capable de modéliser toutes sortes de molécules, avec le troisième prix Warshel, et aussi les plus grandes molécules biologiques.

Entre 1970 et 1972, Karplus et Levitt ont travaillé ensemble, en prenant comme modèle la molécule rétinienne rétinienne (une variante de la vitamine A). Une caractéristique de cette molécule est qu'elle a des électrons libres, qui ne sont pas attachés à un atome donné et qui sont libres de se déplacer par la molécule. Précisément quand la lumière frappe sur la rétine, ces électrons absorbent l'énergie et leur aspect change. En prenant comme modèle cette molécule, Karplus et Levitt développèrent un programme totalement innovant : le programme appliquait des modèles de physique quantique pour faire des calculs sur les électrons libres et celui de physique classique pour faire ceux de tous les autres électrons et noyaux. Pour la première fois, les deux mondes se sont réunis en un seul programme efficace. C'était un programme pionnier dans la gestion des molécules avec la symétrie des miroirs.

L'étape suivante, et définitive, a coïncidé avec Levitte et Warshel, après avoir rencontré à Cambridge en 1972. On a analysé les enzymes, les causes des réactions chimiques qui se produisent chez les êtres vivants et on a poursuivi l'objectif en 1976 : ils ont publié le premier modèle d'ordinateur d'une réaction enzymatique. Et le programme développé pour cela était universel, c'est-à-dire pour tout type de molécule.

Ses successeurs sont ceux qui sont utilisés aujourd'hui. Et le chemin n'est pas terminé. Levitte a un rêve, «pouvoir simuler par ordinateur un être vivant au niveau moléculaire».-- Lire l'interview réalisée par Guillermo Roa d'Elhuyar en 2000 à Martin Karplus