Populärvetenskaplig sammanfattning

Beräkningskemi 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.

Precis som olika experimentella tekniker är bäst lämpade för att lösa olika kemiska problem har beräkningskemiska metoder 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 min egen forskning använder jag beräkningskemiska metoder för att lösa frågeställningar inom en rad olika områden såsom fotokemi (se länk), enzymatisk katalys och molekylära maskiner. Fotokemi är den del av kemin där man studerar kemiska reaktioner som initieras av ljus snarare än av värme; enzymatisk katalys handlar om principerna bakom enzymers livsavgörande förmåga att katalysera biokemiska reaktioner; medan molekylära motorer är en slags maskiner i molekylformat som omvandlar värme- och ljusenergi till rörelseenergi. Inom nanoteknologin investeras just nu avsevärda resurser för att på syntetisk väg konstruera molekylära maskiner, ofta med vägledning från biologiska system där den rörelse man försöker efterlikna (t.ex. rotation) förekommer naturligt.

De fotokemiska frågeställningar som jag arbetar med handlar främst om att förstå biologiska fotoreceptorers funktion. Dessa är ljuskänsliga proteiner som fungerar som en slags signalsystem och finns i alla typer av 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 klassikt exempel på detta fenomen är växters vårblomning, som sker först när dagsljuset är tillräckligt starkt och långvarigt. Det fysiologiska gensvaret kräver vanligen att proteinet först ändrar struktur — proteinet måste aktiveras. Denna process initieras när en hjälpmolekyl (en kromofor) som är bunden till proteinet absorberar ljus av en viss våglängd och därigenom kan genomgå en s.k. isomeriseringsreaktion, vilket i sin tur signalerar till proteinet att det är dags att övergå från ett inaktivt till ett aktivt tillstånd. För att fylla sin roll på ett optimalt sätt är kromoforens egenskaper i proteinet ofta "skräddarsydda", och inte sällan helt skilda från motsvarande egenskaper i ett kemiskt lösningsmedel.

Genom att använda såväl beprövade som nyutvecklade beräkningsmetoder är min forskning om biologiska fotoreceptorer inriktad på att tillhandahålla en detaljerad beskrivning av den flerstegsmekanism varmed fytokromer — en huvudtyp av fotoreceptorer — övergår från ett inaktivt till ett aktivt tillstånd, samt att förklara hur dessa fotoreceptorer justerar sina kromoforers ljusabsorberande förmåga på ett sådant sätt att den biokemiska funktionen maximeras. Eftersom den samlade kunskapen om fytokromers grundläggande mekanismer ännu är väldigt begränsad kommer utrönandet av just dessa frågeställningar att starkt bidra till fältets fortsatta utveckling.     

På de engelska sidorna ges en mer utförlig presentation av forskningsområdet. Du når dem genom länken här nedanför.

Presentation in English