Teoretisk kemi

bägare med grön vätska och orangea salddar på en superdator

Teoretisk kemi är ett forskningsfält som omfattar utveckling och användning av teoretiska metoder för att lösa kemiska problem med hjälp av datorer. Dessa metoder kan användas för att tolka och komplettera experimentella studier, men kan i vissa fall även ersätta traditionella laboratorieförsök helt och hållet.  

Det finns flera fördelar med att angripa kemiska problem på detta sätt. Exempelvis bidrar teoretiska studier med tydliga kvantitativa mått på de kemiska egenskaper man önskar undersöka, samtidigt som de i mindre utsträckning än experimentella studier begränsas av praktiska faktorer såsom kostnader och tillgång till utrustning.

figur som förklarar hur teoretisk kemi kan fungera Precis som olika experimentella tekniker är bäst lämpade för att lösa olika kemiska problem har metoderna inom fältet specifika egenskaper som gör dem mer eller mindre tillämpbara för en given frågeställning. Metoderna utvecklas i regel ur en grundläggande fysikalisk teori, som omsätts i ekvationer. Dessa ekvationer är oftast alltför komplicerade för att direkt kunna lösas med papper och penna, varför man istället använder datorer och löser dem numeriskt med hjälp av datorprogram. De enorma framsteg som gjorts inom fältet under de senaste årtiondena kan till stor del tillskrivas den dramatiska utvecklingen inom IT-området under samma period.

I vår egen forskning inom fältet intresserar vi oss främst för frågeställningar inom fotokemi, med speciellt fokus på molekylära maskiner, fotokemiska reaktionsmekanismer, fotosensoriska proteiner, molekylära egenskaper och enzymkatalys.

Molekylära maskiner

figur molekylära motorerMolekylära motorer är molekyler som på ett kontrollerat sätt omvandlar energi från en yttre källa till riktad mekanisk rörelse såsom rotation kring en kemisk bindning. Om vi gör en analogi med en vanlig bilmotor är den tillförda energin motorns bränsle och rotationen den rörelse som erhålls då bränslet omsätts. Att konstruera och för praktiska ändamål använda motorer av molekylär storlek är dock förknippat med stora utmaningar. Trots det utgör fältet en starkt växande gren av nanotekniken inom vilket avsevärda landvinningar gjorts under senare år. Som illustration kan nämnas att det numer finns ett flertal molekylära motorer som klarar av att rotera miljontals varv per sekund när de "simmar" fritt i ett kemiskt lösningsmedel, och att vissa av dem visat sig kunna rotera mikrometerstora objekt fullt synliga för det mänskliga ögat. Det råder alltså inget tvivel om att dessa system verkligen har potential för konkreta, tekniska tillämpningar.

För att fullt ut förverkliga denna potential och effektivt utnyttja molekylära motorer som kraftkällor i olika sammanhang, är det emellertid nödvändigt att dels kontinuerligt utveckla nya motorer med bättre prestanda, dels hitta nya sätt att integrera motorerna i de system som skall tillhandahålla den önskade funktionen. I det senare fallet kan det exempelvis röra sig om motorer som skall driva s.k. nanobilar för kontrollerad transport av molekyler längs ytor. Den stora utmaningen är att bibehålla motorernas lösningsmedelsprestanda även när de samspelar med övriga komponenter i systemet. I vår forskning arbetar vi med ovanstående frågeställningar genom att använda ett brett spektrum av metoder inom teoretisk kemi, från kvantkemiska beräkningar till molekyldynamiksimuleringar i elektroniskt exciterade tillstånd.

Fotokemiska reaktionsmekanismer

figur fotokemiska reaktionsmekanismerVi utforskar fotokemiska reaktionsmekanismer inom organisk kemi och biokemi. Medan en "vanlig" kemisk reaktion induceras av värme och involverar molekyler vars elektroniska energier är så låga som möjligt (molekylerna befinner sig i grundtillståndet), så startas en fotokemisk reaktion genom upptag av ljusenergi och involverar molekyler som under delar av reaktionen befinner sig i ett exciterat tillstånd med högre elektronisk energi än grundtillståndet. I vår forskning klargör vi i detalj, på atomär och elektronisk nivå, exakt hur fotokemiska reaktioner sker genom att modellera möjliga reaktionsvägar och tillstånd med kvantkemiska metoder och molekyldynamiksimuleringar.

Fotosensoriska proteiner

figur fotosensoriska proteinerFotosensoriska proteiner är ljuskänsliga proteiner som fungerar som en slags signalsystem och finns i alla organismer, från bakterier till däggdjur. Deras uppgift är att känna av ljuset i omgivningen, och sedan omsätta ett fysiologiskt gensvar som står i lämplig proportion till rådande ljusförhållanden. Ett klassiskt exempel på detta fenomen är växters vårblomning, som sker först när dagsljuset är tillräckligt starkt och långvarigt. En huvudtyp av fotosensoriska proteiner som vi speciellt intresserar oss för är s.k. fytokromer, som är aktiva i det röda våglängdsområdet och bl.a. förekommer i just växter.

Vår forskning kring fytokromer har två huvudsyften och baseras på en beräkningsmetodik (QM/MM) som kombinerar kvantmekanik och klassisk mekanik på ett sådant sätt att proteiner bestående av tusentals atomer kan beskrivas med samma tillförlitlighet (och till samma kostnad vad gäller erforderliga datorresurser!) som kvantmekanik beskriver små molekyler. Det första syftet är att tillhandahålla en detaljerad beskrivning av den flerstegsmekanism varmed fytokromer övergår från ett inaktivt till ett aktivt tillstånd när de absorberar ljus, vilket är det absoluta nyckelsteget för att verkligen förstå hur fytokromer fungerar. Det andra syftet, av mer tillämpad natur, är att identifiera exakt hur fytokromer kan fås att fluorescera (utsöndra ljus) inom det nära-infraröda våglängdsområdet, vilket är av stor betydelse för den biomedicinska användningen av protein-baserad fluorescensavbildning.

Protein-baserad fluorescensavbildning är en teknik som bygger på proteiners förmåga att fluorescera efter att de blivit belysta och som gör det möjligt att visualisera biologiska och medicinska förlopp i levande celler. Denna teknik har revolutionerat livsvetenskaperna och belönades med 2008 års Nobelpris i kemi. Det första proteinet som användes för detta ändamål kallas för GFP och förekommer naturligt i maneter. Även om detta Grön-Fluorescerande-Protein numer kompletterats med biokemiskt modifierade varianter som kan utsöndra ljus av nästan alla våglängder inom det synliga området, är det av stort intresse att utveckla nya fluorescerande proteiner som snarare utsöndrar nära-infrarött ljus av längre våglängd. Anledningen till detta är att nära-infrarött ljus är mycket bättre på att penetrera mänsklig vävnad. Därigenom kan sådana proteiner användas för att t.ex. lokalisera djupliggande tumörer, vilket inte alls är möjligt med GFP-liknande proteiner. Under de senaste åren har det visat sig att de mest lovande proteinerna att utgå från i utvecklingen av nära-infrarött-fluorescerande proteiner är just fytokromer. Den huvudsakliga stötestenen är dock att det är svårt att få fytokromer att fluorescera starkt nog. I vår forskning undersöker vi därför vilka strukturella proteinförändringar som erfordras för att öka styrkan i fluorescensen hos fytokromer.

Molekylära egenskaper

figur molekylära egenskaperVi undersöker hur spektroskopiska egenskaper hos organiska och oorganiska kromoforer (ljusabsorberande molekyler) bidrar med kemisk funktionalitet åt de biologiska system (ofta proteiner) i vilka kromoforerna förekommer. De kemiska funktionaliteterna av intresse inkluderar bl.a. färg och förmåga att utföra kemiska reaktioner. Som exempel på denna forskning har vi nyligen lyckats lösa ett klassiskt problem i biologi rörande humrars mörkblå färg. Närmare bestämt så har vi förklarat hur humrar med hjälp av ett distinkt rödorange pigment antar en ur kamouflagehänseende mer lämplig mörkblå färg. Intressant nog kan lösningen på detta problem även användas för att förklara varför humrar skiftar färg från mörkblått till orangerött när de kokas!

Relaterat
Visa/dölj innehåll

Visa/dölj innehåll

Publikationer
Visa/dölj innehåll

2020

2019

2018

2017

2016

2015

Gruppmedlemmar
Visa/dölj innehåll