Jestem pod wrażeniem genialności „wynalazku” Natury, jakim jest wiązanie wodorowe. Trudno sobie wyobrazić alternatywny model życia, który by się na tym wynalazku nie opierał.

Wodór tańczy w komputerze

Rozmowa z prof. dr. hab. Andrzejem L. Sobolewskim,

fizykiem z Instytutu Fizyki PAN,

współlaureatem nagrody Copernicus w roku 2008

Zajmuje się Pan, najogólniej mówiąc, fotochemią. Jaki był początek zainteresowań, które do tego doprowadziły?

– Zawsze interesowało mnie „jak to działa” – w dzieciństwie psułem zabawki, żeby zobaczyć, co jest w środku. Wychowałem się w puszczy, wśród jezior, w okolicach Augustowa, spędzając więcej czasu w klubie żeglarskim niż nad książkami. Nauka przychodziła mi łatwo i dopiero na początku studiów na Wydziale Fizyki UW byłem zaskoczony, że trzeba jednak trochę czasu nad podręcznikami spędzać.

Wybór kierunku studiów był oczywisty?

– Raczej tak. Zawsze interesowało mnie, jak działa świat, który mnie otacza, więc fizyka wydawała się swego rodzaju kompromisem tych zainteresowań i tego, co – jak sobie wyobrażałem – będę mógł robić w życiu. Studia na Wydziale Fizyki okazały się dość ciężkie; po pierwszym roku odpadła chyba połowa moich kolegów. Ja zacząłem dryfować w stronę biologii i specjalizację, a potem pracę magisterską, zrobiłem w Katedrze Biofizyki, pod kierunkiem bardzo wybitnego uczonego prof. Davida Shugara, który do dzisiaj, choć minęło od tamtej pory ponad trzydzieści lat, jest nadal bardzo aktywny naukowo.

W końcu lat siedemdziesiątych biofizyka była dziedziną nową. Czy wybierając ją wiedział Pan, co chciałby robić?

– Dokładnie tego wtedy nie wiedziałem. Przekonałem się natomiast szybko, że nie chcę pracować doświadczalnie w tej dziedzinie – kroić szczurów (dosłownie i w przenośni), preparować ich tkanek czy oznaczać różne biomarkery, co robiliśmy na ćwiczeniach. Pracownię magisterską odbyłem już pod kierunkiem teoretyków, jak Bogdan Lesing i Andrzej Pohorille, wówczas asystentów w Katedrze Biofizyki. Zająłem się wtedy zasadami kwasów DNA, licząc ich własności elektronowe. I do tego wróciłem. Kiedy zacząłem przygotowywać pracę magisterską, prof. Jerzy Prochorow zaproponował mi pracę w Instytucie Fizyki PAN, gdzie teraz rozmawiamy, a że miałem już wówczas rodzinę, małą córeczkę, była to bardzo pożądana oferta. Zacząłem więc swoją karierę w IF PAN od stanowiska laboranta.

To była praca teoretyczna?

– Nie tylko. Prowadziliśmy badania spektroskopowe kompleksów molekularnych. Następnie zacząłem symulacje teoretyczne fotofizyki tych układów, czyli to, w jaki sposób układ molekularny, który zaabsorbuje kwant światła, powraca do stanu podstawowego, zamieniając energię wzbudzenia optycznego na ciepło oscylacji. To, za co dostałem nagrodę Copernicus, i wcześniej Nagrodę FNP, ma swoje początki 30 lat temu. Uświadamiam sobie teraz, że „szkielet” mojej kariery naukowej powstał na samym jej początku, mimo że później, jak mi się zdawało, skakałem z tematu na temat.

Kiedy poczuł Pan pierwszy raz smak odkrycia?

– Prawdę mówiąc czuję go codziennie. Często bowiem dokonuję „niesamowitych” dla mnie odkryć, czasem nie zdając sobie sprawy, że wyważam otwarte drzwi. Jestem takim typem, który lubi samodzielnie do wszystkiego dochodzić, niejednokrotnie ucząc się na własnych błędach.

Nagrodę Copernicus otrzymał Pan wraz z Wolfgangiem Domcke.

– Uzupełniamy się. Prof. Domcke zajmuje się bardziej administrowaniem nauką, znakomicie kieruje zespołem badaczy. Komputera używa jako maszyny do pisania i obsługiwania poczty. Kiedy przychodzi mi (lub nam) do głowy jakiś nowy pomysł, siadam do komputera, wykonuję „palcówkę” na klawiaturze, no i za jakiś czas mam odpowiedź na pytanie, które było istotą pomysłu. Myślę, że nasza współpraca kwitnie dlatego, że chociaż reprezentujemy zupełnie inne typy charakterologiczne, nadajemy na tej samej fali i rozumiemy się w pół zdania. W naszych dyskusjach zakreślamy interesujące obszary poszukiwań, a ja, przeprowadzając odpowiednie obliczenia, staram się znaleźć odpowiedzi na pytania, które stawiamy. W tych poszukiwaniach często znajduję odpowiedzi na pytania, których nie postawiliśmy. Pierwszym odruchem bywa wówczas chęć odrzucenia takiego wyniku, jako czegoś przypadkowego, ale zdarza się, że jest to coś zupełnie nowego, niespodziewanego, co wskazuje dalsze kroki w pożądanym kierunku.

Proszę o przykład.

– Zanim zaczynałem badać zasady nukleinowe, najpierw pracowałem na prostszych związkach modelowych. Badałem, co dzieje się z cząsteczką takiego związku po zaabsorbowaniu fotonu światła – szukałem jej optymalnego kształtu w stanie elektronowo wzbudzonym. Uruchomiłem odpowiedni schemat obliczeń i czekałem. Długo trwało – bo kilkanaście lat temu komputery były znacznie wolniejsze – zanim się okazało, że od tej cząsteczki oderwał się atom wodoru. Nikt się czegoś takiego wówczas nie spodziewał.

Odpowiedź na niepostawione pytanie?

– Tak. Wysłaliśmy doniesienie o tym do dobrego czasopisma, gdzie uznano to za ciekawostkę wartą publikacji, ale właściwie praca ta nie wywołała większego echa w środowisku naukowym. Ja też praktycznie o tym wyniku zapomniałem pracując nad innymi zagadnieniami. Dość przypadkowo, kilka lat później, na przełomie wieków, znowu się z tym zjawiskiem zetknąłem. Była to już inna epoka z punktu widzenia możliwości obliczeniowych. Tym razem przebadałem zjawisko bardziej dogłębnie i okazało się, że odkryłem wtedy całkiem nowy rodzaj, dotychczas nieznany, stanów elektronowych w tzw. cząsteczkach heteroaromatycznych (zasady DNA należą do tej kategorii). Prawie dwa lata upłynęły nam na uprawianiu „marketingu” naukowego zanim udało się przekonać fizyków molekularnych do przeprowadzenia odpowiednich doświadczeń. Uzyskany w komputerze efekt potwierdził się. Okazało się, że owo „odskakiwanie” wodoru od cząsteczki pod wpływem światła jest uniwersalnym zjawiskiem w tej klasie związków i jednym z najszybszych procesów fotofizycznych w nich zachodzących. Zaczęło się lawinowe cytowanie naszych prac. Dzisiaj jest to podręcznikowy przykład tzw. selektywnej femtochemii, czyli chemii procesów zachodzących w skali 10−15 s.

Czy z tego wynika coś istotnego?

– Mogą wynikać różne ciekawe rzeczy. W niektórych układach atomy wodoru odgrywają specjalną rolę, np. w DNA „sklejają” ze sobą obie nici podwójnej spirali. Pod wpływem absorpcji światła wodór zaczyna „tańczyć”, odbijając się od jednej nici do drugiej i w ten sposób zamienia kwant potencjalnie niebezpiecznego światła nadfioletowego (UV) na ciepło oscylacji atomów. Mała masa atomu wodoru sprawia, że proces ten zachodzi bardzo szybko, właśnie w zakresie femtosekundowym. Sądzimy, że jest on odpowiedzialny za obserwowaną znaczną odporność biomaterii na niszczące działanie składowej UV światła słonecznego. Wiązania wodorowe są powszechne w materii ożywionej i oprócz swojej podstawowej roli, jaką pełnią w jej funkcjonowaniu (replikacja i transkrypcja DNA, struktura natywna białek), stanowią również rodzaj kamizelki fotonoodpornej. Energię fotonu, szczególnie ultrafioletowego o bardzo wysokiej energii, rozprasza ten oscylujący atom wodoru, zamieniając ją na ciepło, co zapobiega zniszczeniu cząsteczki. Podobnie jak w kamizelce kuloodpornej, czujemy uderzenie pocisku, ale cała jego energia zamienia się na ciepło, chroniąc tym samym nasze ciało przed uszkodzeniem, kiedy wystawiamy je na działanie światła słonecznego i zamiast swądu spalonej skóry czujemy przyjemne ciepło – zawdzięczamy to tej cudownej własności wiązań wodorowych w komórkach. Oczywiście ta nasza naturalna fotostabilność ma granice i dobrze jest się zabezpieczyć na dłuższą metę kremem z ochronnym fotofiltrem. Co ciekawe, działanie ochronne fotofiltrów organicznych opiera się dokładnie na tych samych własnościach wiązań wodorowych.

Bada Pan materię ożywioną metodami fizyki. Czy dla fizyka fakt, że budowa tej materii i jej funkcjonowanie są ogromnie skomplikowane, jest pociągający, stanowi inspirację, czy raczej wywołuje rezerwę wobec trudności?

– Raczej zniechęca, ale z drugiej strony, ile nowych możliwości się z tym wiąże! Na tym piętrze Instytutu Fizyki PAN, gdzie teraz jesteśmy, zajmujemy się w miarę dużymi cząsteczkami – z pogranicza biologii. Piętro niżej koledzy badają cząsteczki trzy−czteroatomowe, na parterze atomy i cząsteczki dwuatomowe. Jeśli mówię do fizyków atomowych, że potrafię policzyć i dzięki temu przewidzieć własności fotofizyczne tych stosunkowo dużych biocząsteczek – nie zawsze są o tym przekonani.

Ale to znaczy, że komplikacja tych obiektów Pana nie zniechęca.

– Chyba dlatego, że umiem (i lubię) posługiwać się metodami obliczeniowymi mechaniki kwantowej. Postęp w tych badaniach następuje głównie dzięki rosnącym możliwościom obliczeniowym komputerów. Bazuje na tym np. farmacja – jako nauka i również przemysł farmaceutyczny. Potrafimy obecnie przewidzieć własności cząsteczek licząc je metodami mechaniki kwantowej i jest to często tańsze niż badanie doświadczalne. Istnieje oczywiście pewien problem z przekładaniem zjawisk kwantowych na język potoczny, gdyż nasze codzienne doświadczenie nie ma analogii w świecie mechaniki kwantowej. Jak pojąć, że foton czy elektron mogą być w kilku miejscach jednocześnie? Zajmując się zawodowo mechaniką kwantową popada się w rodzaj schizofrenii, dzieląc swój czas pomiędzy mikro− i makroświaty. Po latach uzyskuje się rodzaj wyobraźni, który pozwala na całkiem swobodne poruszanie się również w świecie atomów i cząsteczek opisywanym przez prawa mechaniki kwantowej i przewidywanie (obliczanie) ich własności. To trochę jak z grą na instrumencie – po opanowaniu techniki można się zająć wirtuozerią.

Laikowi wydaje się, że własności czegokolwiek się opisuje, a nie liczy...

– No cóż, opisać można własności na poziomie jakościowym, natomiast, aby coś przewidzieć ilościowo, należy wartość tej własności obliczyć i dopiero wtedy możemy to porównać z odpowiednią wartością zmierzoną w doświadczeniu. My rozwiązujemy równania i otrzymujemy wynik mówiący, że cząsteczka, np. antybiotyku, będzie miała nowe określone własności, jeśli w jakiś konkretny sposób ją zmodyfikujemy chemicznie. Ponieważ potrafimy dzisiaj to przewidywać z dość dużą dokładnością, oszczędzamy wiele etapów skomplikowanych eksperymentów. W komputerze dokonuje się swego rodzaju preselekcja. Sporo fizyków kończących studia lub robiących doktoraty z taką specjalizacją znajduje pracę właśnie w firmach farmaceutycznych.

A co robią fizycy badacze, tacy jak Pan, dokąd idą dalej?

– Większość badań w tej dziedzinie, o których wspomniałem, dotyczy przewidywania własności cząsteczek w stanie podstawowym. My badamy – liczymy – co dzieje się z cząsteczką, kiedy zaabsorbuje ona foton i przeskakuje w stan elektronowo wzbudzony, powiedzmy, z podłogi na stół. Są to obliczenia o wiele bardziej złożone i tylko kilka zespołów na świecie je prowadzi. Nie mamy więc zbytniej konkurencji, ale myślę, że jest to dopiero początek i badania te się rozwiną, podobnie jak rozwinęły się badania teoretyczne właściwości cząsteczek w stanie podstawowym.

Czy takich stanów wzbudzonych – poziomów między podłogą a, powiedzmy, sufitem – może być dużo?

– Istnieje ich nieskończenie wiele, nawet jeśli „sufit” oznacza energię potrzebną do oderwania jednego elektronu od cząsteczki, czyli stanowi tzw. potencjał jonizacji. Ale najbardziej liczy się ten najniższy stan wzbudzony, bo już w tym stanie cząsteczka dysponuje energią, która może stanowić źródło bardzo ciekawych i różnorodnych zjawisk. I tak, pracując nad fotostabilnością, musimy brać pod uwagę także jej przeciwieństwo: fotoreaktywność, czyli np. możliwość oderwania się wodoru od cząsteczki pod wpływem wzbudzenia światłem.

Czy fotoreaktywność, prowadzącą również do zmiany właściwości cząsteczek, można jakoś pożytecznie wykorzystać?

– Jak najbardziej. Zaczęliśmy się ostatnio zastanawiać nad tym, co by było, gdyby fotoreaktywności poddać taką cząsteczkę, jak woda. Cząsteczka wody składa się z tlenu i dwóch atomów wodoru. Wyobraźmy sobie, że potrafimy oderwać atomy wodoru od cząsteczki wody, tlen wypuszczamy do atmosfery i... mamy paliwo przyszłości – wodór. Kamieniem filozoficznym w tej dziedzinie jest sposób zaprzęgnięcia światła słonecznego w proces uzyskiwania czystego wodoru z wody. Z faktu, że oceany na kuli ziemskiej istnieją i nie zmniejszają się, choć promieniowanie słoneczne, także ultrafioletowe, do nich dochodzi, wynika, że to promieniowanie, które dociera do powierzchni Ziemi nie potrafi bezpośrednio rozerwać cząsteczki wody. Wiemy także, że wszystkie kopaliny (ropa, gaz, węgiel), jakich używamy do wytwarzania energii, są produktami fotosyntezy odbywającej się w organizmach roślin w ciągu długiej historii Ziemi. Rośliny, absorbując światło słoneczne, potrafią „odzyskać” wodór z wody, wypuszczając tlen do atmosfery, dzięki temu, że mają w swoich komórkach tzw. fotokatalizatory.

Nie możemy się tego od nich nauczyć?

– Ten mechanizm jest niezmiernie złożony i jeszcze nie wszystkie jego etapy zostały do końca poznane. Musimy pamiętać, że kształtował się on i był optymalizowany przez miliardy lat ewolucji. Nie mamy tyle czasu. Krokiem w tym kierunku jest zapewne wytwarzanie biopaliw.

Pierwszym krokiem?

– Aby przetworzyć energię promieniowania słonecznego w energię chemiczną, nie musimy odtwarzać całego procesu fotosyntezy. Wystarczy ten wstępny etap: oderwanie wodoru od wody. Jest to obecnie bardzo aktualny problem i trudno nawet sobie wyobrazić, jak wiele grup naukowych w świecie nad tym pracuje. My również ostatnio do nich dołączyliśmy i mamy pewne wstępne wyniki. Eksperyment komputerowy, jaki przeprowadziłem, pokazał, że jest możliwe uzyskanie związku energetycznego, benzochinonolu, który odebrał atomy wodoru od wody na skutek działania światła widzialnego. Jest to w pewnej mierze naśladowanie natury, bo taki związek powstaje w jednym z początkowych etapów fotosyntezy. Prowadzę obecnie rozmowy z kolegami zajmującymi się badaniami doświadczalnymi, żebyśmy ten schemat sprawdzili w działaniu, a potem... być może pomyśleli o rozwiązaniach technologicznych. Mówię o tym, żeby pokazać tę dodatkową, oprócz funkcjonalności i fotostabilności, właściwość wiązań wodorowych, jaką jest ich kontrolowana fotoreaktywność. Osobiście jestem pod wrażeniem genialności tego „wynalazku” Natury, jakim jest wiązanie wodorowe. Trudno sobie wyobrazić alternatywny model życia, który by się na tym wynalazku nie opierał.

Rozumiem, że poznanie jego roli pozwala się także zbliżyć do zrozumienia zakłóceń procesów zachodzących w komórkach, czyli mechanizmu chorób?

– Tak. Wiemy np., że nieprawidłowości w strukturze wiązań wodorowych DNA mogą stanowić źródło mutacji genetycznych, natomiast niektóre zmiany w tzw. strukturze drugorzędowej białek mają związek z chorobą Alzheimera.

Oba te zjawiska – fotostabilność i fotoreaktywność – oraz ich wzajemne relacje zajmują Pana teraz i są przedmiotem współpracy z prof. Domcke?

– Można tak powiedzieć.

W uzasadnieniu przyznania Panom nagrody wymieniono troskę o młodych badaczy i opiekę nad nimi.

– Współpracowników tutaj, w instytucie, mam niewielu – dwóch adiunktów i doktoranta, ale ciągle miewam gości z różnych, często bardzo odległych, placówek, którzy przyjeżdżają na kilka tygodni, uczą się techniki badania cząsteczek w stanach wzbudzonych, czasem wspólnie coś publikujemy. W tej chwili już tracę kontrolę, które publikacje są w jakiej fazie redakcyjnej. Co jakiś czas wymieniamy studentów czy doktorantów z Monachium. Obie nasze grupy, moja i Wolfganga Domckego, są grupami teoretycznymi. Młody człowiek, który nauczy się u nas różnych metod obliczeniowych do wyznaczania właściwości cząsteczek podczas przygotowywania doktoratu czy na stażu podoktorskim, zabiera tę wiedzę ze sobą, a w każdym razie dużą jej część, gdy odchodzi w inne miejsce. Trzeba więc zadbać, żeby zawsze ktoś tę wiedzę po nim przejmował, żeby nie przerwać ciągłości badania danego problemu, który nie jest jeszcze rozwiązany.

Co jest teraz głównym pytaniem, na które Pan sam szuka odpowiedzi?

– Mój problem polega na tym, że mam więcej pomysłów niż możliwości ich realizowania, ograniczonych głównie liczbą komputerów, które jestem w stanie obsłużyć. Wchodzimy teraz (ja i moi współpracownicy), przynajmniej częściowo, w problem utleniania wody, jak się to fachowo nazywa, tj. odrywania od jej cząsteczek wodoru. Pracuję obecnie nad projektem, który zamierzam złożyć do MNiSW. Jeśli zostanie zaakceptowany, pozwoli mi to na sprawdzenie doświadczalne naszych przewidywań, tak aby prace te nie skończyły się tylko ciekawym wynikiem teoretycznym, który pójdzie w świat i ktoś inny z niego skorzysta. Coś takiego stało się z odkrytym przez nas zjawiskiem odrywania wodoru od cząsteczek organicznych – kilka centrów naukowych rozwinęło wokół tego, posługując się naszymi wynikami, duże programy badawcze. Drugi problem, nad którym obecnie pracujemy wraz z grupą monachijską, to finansowany przez MNiSW oraz DFG projekt związany z badaniem fotofizyki tzw. fotostabilizatorów organicznych. Są to stosunkowo proste cząsteczki dodawane do polimerów syntetycznych i kremów przeciwsłonecznych, które chronią przed niszczącym działaniem światła słonecznego. W trakcie tych badań okazało się, że tego typu cząsteczki, po pewnej modyfikacji chemicznej, mogą znaleźć zastosowanie w tzw. optoelektronice molekularnej. Jeśli ten wynik teoretyczny zostanie potwierdzony doświadczalnie – a pierwsze próby są obecnie prowadzone w IF PAN – może to oznaczać nową erę miniaturyzacji w dziedzinie przechowywania i przetwarzania informacji.

Wynika z tego, że Pan, fizyk teoretyk, interesuje się zastosowaniami.

– Sądzę, że jest to dość naturalna ewolucja, którą każdy teoretyk przechodzi. Po prostu, po latach spędzonych w świecie wirtualnym, pośród równań i cyferek z nich wynikających, „dojrzewa się” do zmierzenia się z rzeczywistością. Ostatecznie po to uprawiamy naukę, aby lepiej rozumieć otaczający nas świat i tę wiedzę wykorzystać do jego świadomej kontroli.

A co jest większym przeżyciem dla Pana: tworzenie koncepcji teoretycznej czy perspektywa jej zastosowania?

– Najbardziej ekscytujący jest moment, kiedy wpadam na nowy pomysł, wchodzę w labirynt spraw nieznanych, poruszam się trochę po omacku, nie wiedząc, co znajdę za następnym zakrętem. No i ten moment, kiedy uświadamiam sobie, że jestem prawdopodobnie jedyną osobą na Ziemi, która poznała tę tajemnicę Natury. Rozmarzyłem się... Sądzę, że jest to uczucie znane każdemu, kto na serio uprawia naukę. A jak się już przejdzie ten „labirynt” i wiadomo mniej więcej, co tam jest, temat powszednieje i czasem trzeba sporej mobilizacji, aby to wszystko opisać, przygotować publikację, odpowiedzieć na recenzje, zrobić korekty itd. Jest to o wiele mniej emocjonujące, choć ma się perspektywę dalszego życia swoich wyników. Jak wyjście z labiryntu na światło dzienne, nawet z garścią klejnotów w kieszeni. Wolę przygotować wykład i powiedzieć słuchaczom, co znalazłem, niż o tym pisać. Nieocenionym współpracownikiem pod tym względem jest prof. Domcke. Gdy pracujemy nad artykułem, kilka razy dziennie wymieniamy maile, dopracowujemy sformułowania, ale ten ostateczny szlif naszych wspólnych publikacji należy do niego.