פרס נובל לכימיה לשנת 2013 היווה נקודת מפנה מדעית עבור המדע החישובי, בסימן הוקרה להישגיהם פורצי הדרך של אריה ורשל ומיכאל לויט. בעבודתם לצד מרטין קרפלוס, חוקרים בעלי חזון אלה הניחו את התשתית הבסיסית לתוכנות מחשב המשמשות להבנה, חיזוי וסימולציה של תגובות כימיות מורכבות. לפני מאמציהם החלוציים, כימאים הסתמכו על מודלים פיזיים מפלסטיק או שהפרידו בין הפיזיקה הקוונטית לפיזיקה הקלאסית כמתודולוגיות שאינן מתיישבות זו עם זו. על ידי מיזוג התחומים המדעיים הנפרדים הללו, ורשל ולויט פיתחו מודלים רב-קני מידה שאפשרו לסימולציות מחשב ללכוד הן את מעברי האלקטרונים המהירים והמקומיים של תגובות כימיות, והן את ההתנהגות הפיזית הרחבה יותר של המולקולות הסובבות. גישה טרנספורמטיבית זו חוללה מהפכה בתחומי הביוכימיה, הביולוגיה המולקולרית ופיתוח התרופות ברחבי העולם.
יסודות היסטוריים במכון ויצמן
שורשיה של השותפות המדעית בין אריה ורשל למיכאל לויט נעוצים בסוף שנות ה-60 ובתחילת שנות ה-70 של המאה ה-20 במכון ויצמן למדע היוקרתי ברחובות, ישראל. תחת הנחייתו המקצועית של שניאור ליפסון, פיזיקאי כימי ישראלי בעל שם ומנהלו המדעי לשעבר של המכון, הם החלו לעבוד על מודלים חישוביים של מבנים מולקולריים. ליפסון יזם את פיתוח מתודולוגיית שדה הכוחות העקבי (Consistent Force Field - CFF), שמטרתה הייתה לחשב את תכונותיהן של מולקולות שונות באמצעות פרמטרים מתמטיים מאוחדים. אריה ורשל, שהיה אז דוקטורנט מבריק בהנחייתו של ליפסון, עבד בשיתוף פעולה עם מיכאל לויט, שהגיע למכון כחוקר אורח מבריטניה. הסביבה השיתופית שלהם במכון ויצמן טיפחה חילופי דברים אינטלקטואליים עזים, והציתה את הרעיונות שישנו בסופו של דבר את פני הפיזיקה הכימית העולמית.
לפני מחקרם, המידול הכימי היה מחולק לשני תחומים מבודדים: מכניקה קלאסית, שיכלה לדמות מולקולות גדולות אך לא יכלה למדל תגובות כימיות, ומכניקת הקוונטים, שיכלה לדמות תגובות אך רק עבור מולקולות זעירות בשל דרישות חישוב עצומות. לויט ורשל שמו להם למטרה לפרוץ מחסום זה על ידי ניסוח מערכת היברידית שיכולה להתמודד עם שתי הפרדיגמות בו-זמנית. הם השקיעו שנים בזיקוק החישובים שלהם, בפיתוח קוד מחשב שפישט את הייצוג של חלבונים מורכבים תוך שמירה על תכונותיהם הפיזיות המהותיות. מחקר מפרך זה הוביל בסופו של דבר לפרסום ציון הדרך שלהם משנת 1976 על התגובה האנזימטית של ליזוזים, המוכר באופן נרחב כלידתו של המידול הרב-קני מידה. עבודתם הוכיחה בהצלחה כי מחשבים יכולים לשמש ככלי אמין ובעל יכולת ניבוי לחקר תהליכים ביולוגיים מורכבים.
הישגי מפתח וציוני דרך
- ייזום הסימולציה החישובית הראשונה של תגובה כימית המשלבת הן מכניקה מולקולרית קלאסית והן מכניקת הקוונטים בשנת 1976.
- פיתוח מערכת שדה הכוחות העקבי (Consistent Force Field) במכון ויצמן למדע לצד המנטור שלהם שניאור ליפסון.
- יצירת ייצוגים מפושטים של מבני חלבון שאפשרו למחשבים המוקדמים, בעלי כוח מחשוב נמוך, למדל את הקיפול המורכב של מערכות מקרומולקולריות.
- סימולציה של מנגנוני התגובה המדויקים של אנזימים, תוך ייסוד הדיסציפלינה המדעית המודרנית של אנזימולוגיה חישובית.
- זכייה ב-פרס נובל לכימיה לשנת 2013 על פיתוח מודלים רב-קני מידה למערכות כימיות מורכבות.
ניתוח מדעי של מידול רב-קני מידה
החדשנות המרכזית שמאחורי עבודתם של מיכאל לויט ואריה ורשל היא טכניקת המידול ההיברידית המוכרת כמידול קוונטי/קלאסי משולב, או QM/MM (Quantum Mechanics/Molecular Mechanics). במערכת כימית מורכבת, כמו אנזים המקיים אינטראקציה עם מולקולת תרופה, התגובה הכימית בפועל מתרחשת באזור ממוקד ביותר שבו קשרים כימיים מתפרקים ונוצרים. אזור ממוקד זה דורש חישוב מכני-קוונטי, המציב דרישות חישוביות עצומות מאחר שהוא עוקב אחר התנהגותם של אלקטרונים בודדים. כדי לנתח את המבנה הסובב, המכתיב את האופן שבו האנזים מתקפל ומקיים אינטראקציה עם סביבתו, ורשל ולויט החילו פיזיקה ניוטונית קלאסית. על פי הביוגרפיה של מיכאל לויט, חלוקה זו איפשרה לחוקרים להריץ סימולציות מדויקות ביותר מבלי להעמיס יתר על המידה על כושר החישוב.
על ידי חלוקת המערכת, פתרו המדענים צוואר בקבוק יסודי שהגביל את המידול הכימי במשך עשורים. האנזימולוגיה החישובית שגשגה כתוצאה מכך, ואפשרה לתעשיית התרופות לעצב טיפולים באמצעות מידול מטרה בדיוק כביר. במקום ניסויי מעבדה יקרים וגוזלי זמן בשיטת ניסוי וטעייה, חוקרים יכלו כעת לבצע סינון מוקדם וירטואלי של מועמדים פוטנציאליים לתרופות. כפי שמפורט בפרופיל של אריה ורשל, תשתית זו היתה חיונית גם להבנת האופן שבו אור נספג במהלך הפוטוסינתזה וכיצד אותות חזותיים מועברים בעיני יונקים. בסופו של דבר, המודל הרב-קני מידה שלהם הפך את המחשב למעבדה וירטואלית מתקדמת, ושינה לעד את נקודת המפגש בין המדעים הפיזיקליים והביולוגיים.
חשיבות עבור ישראל והמדע העולמי
ההכרה של ועדת פרס הנובל בוורשל ובלויט עומדת כעדות עמוקה לעוצמתם של מוסדות המדע והאקדמיה בישראל. שני חתני הפרס בילו שלבים קריטיים ומעצבים בתחילת הקריירה שלהם בעבודה בישראל, כשהם שואבים השראה מהנוף המדעי השיתופי וממוקד המשאבים של המדינה. הישגיהם מדגישים כיצד מדינה קטנה עם משאבי טבע מוגבלים יכולה להוביל את העולם בהון אינטלקטואלי ובחדשנות טכנולוגית עילית. מורשת מצוינות זו נשמרת באמצעות מוסדות כמו מכון ויצמן למדע, שממשיך למשוך כישרונות גלובליים מובילים. הצלחתם של חוקרים אלה משמשת השראה רבת עוצמה לדורות הבאים של מדענים ישראלים השואפים לפתור את האתגרים המורכבים ביותר של העולם.
מעבר ליוקרה אקדמית גרידא, ליישומים המעשיים של המודלים הרב-קני מידה שלהם יש תועלת ישירה ומוחשית עבור הביוטכנולוגיה הישראלית והבריאות העולמית. חברות תרופות מודרניות בישראל ובעולם ממנפות מידול חישובי כדי להנדס במהירות תרופות מצילות חיים, ובכך מצמצמות את הזמן הנדרש להבאת תרופות חדשות לשוק. התשתית שהקימו לויט ורשל נותרה אבן הפינה של הביולוגיה המבנית החישובית, כשהיא מניעה חידושים ברפואה מותאמת אישית ובביוכימיה. על ידי מיצובה של ישראל במרכז המהפכה המדעית הזו, עבודתם הותירה חותם בל יימחה על הקידמה המדעית העולמית. הישגיהם הממושכים מציגים את כוח המחקר החלוצי הטרנספורמטיבי ואת ההשפעה הגלובלית העמוקה של מוסדות האקדמיה של ישראל.