A VBK jeles, fiatal kvantumkémikusa beszélt oktató-kutatói munkásságának érdekességeiről Junior Prima Díjának apropóján.

„Szeretnénk kémiai kísérleteket mindinkább valósághűen reprezentálni számítógépes szimulációban, hiszen pontosan ismerjük, hogy milyen fizikai törvényeket kell alkalmazni. Mivel ezek teljes körű matematikai és informatikai rekonstrukciója túlságosan bonyolult, ezért közelítő módszereket használunk. A folyamatot ahhoz lehetne hasonlítani, mint amikor mozifilmekben, számítógépes játékokban, vagy egyre népszerűbb virtuális valóság alapú alkalmazásokban egy képzelt környezetnek az emberi szem és agy számára hihető mását alkotják meg. Mi pedig a molekulák mikroszkopikus világában igyekszünk a kémiai reakciókat, molekuláris kölcsönhatásokat vagy biokémiai és anyagtudományi rendszereket realisztikusan, az elvégzett vizsgálatokhoz mérhető pontossággal reprodukálni vagy akár megjósolni” – világította meg tudományos tevékenységének lényegét Nagy Péter, a BME Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar (VBK) Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék Spektroszkópia csoport tudományos munkatársa, miután 2020-ban a tíz Junior Prima Díjas kutató közé választották „Magyar tudomány” kategóriában. A kitüntetett a kvantumkémia területén használatos, ún. csatolt klaszter módszer egyszeres, kétszeres és perturbatív háromszoros gerjesztések [CCSD(T)] továbbfejlesztésében ért el kiemelkedő eredményeket. Ezen eljárás az anyagok atomi szintű megértésének jelenlegi egyik legpontosabb elméleti eszköze, amely kiválóan alkalmas kisebb, 20-25 atomból álló molekulák tulajdonságainak valósághű modellezésére.

A fiatal tudós több mint 6 éve foglalkozik a Műegyetemen számítógépes szimulációs szoftverek fejlesztésével, segítve a molekuláris jelenségek atomi szintű megértését. „A munka során használt közelítésekkel célunk megtalálni az egyensúlyt, hogy a számítások kivitelezhetők és valósághűek is legyenek egyszerre. A kis molekulákra elért sikereken felbátorodva egy prediktív és megfelelő hibakorláttal ellátott technikát terjesztettünk ki a gyakorlati kémiában érdekesebb, de bonyolultabb folyamatok vizsgálatára” – ecsetelte a szakember, további részleteket is megosztva. A kutatók jelenleg egyedülálló módon akár néhány ezer atomra is el tudják végezni ezeket a megbízható számításokat: ekkora molekulák a modern katalitikus kémia legnagyobb részét felölelik. Az akár ennél is százszor nagyobb fehérje molekulák egészére ugyan a legpontosabb módszerek még nem alkalmazhatók, de az enzimek aktív centrumát és annak környezetét – például ahol a gyógyszermolekulák kötődnek, vagy fontos biokémiai folyamatok játszódhatnak le – már viszonylag pontos értékekkel tudják feltérképezni.

„Az általunk választott módszer hagyományos változatának bonyolultságára jellemző, hogy ha kétszer annyi atomból álló molekulára akarjuk kiszámolni ugyanazokat az értékeket, az 128-szoros számításiidő-növekedést okoz. Kutatásainkkal sikerült elérni, hogy az akár 1000 atomból álló molekulákra körülbelül 10 milliárdszor kevesebb időráfordítás is elegendő legyen, mint a hipotetikus – és a valóságban ezért megvalósíthatatlan – hagyományos módszerekkel végzett számítás esetén” – emelte ki a díjazott. A továbbfejlesztett ún. CCSD(T) eljárással akár egy laptop méretű eszköz tárhelye és számítási kapacitása is elég a rekordméretű, például 1000 atomos fehérjék nagy pontosságú vizsgálatára. A saját fejlesztésű programokat a kutató – aki 26 nemzetközi, referált publikáció szerzője, amiből 13 világrekord méretű számításokat közöl – munkatársaival sikerrel alkalmazta környezetbarát szerves kémiai reakciók, fény-anyag kölcsönhatás, biomolekulák és ionok, illetve fehérje és gyógyszerszerű molekulák kötődésének, valamint molekuláris komplexek és molekulakristályok pontos megértésére is.

Fullerén szupramolekuláris komplex

A szakember ismertetése szerint a számítógépes kémiának jelenleg a két legnagyobb kihívása, hogy miképpen kezelje az elektronok elhelyezkedését kvantumkémiai módszerekkel, valamint azt a komplexitást, amit az atommagok pozíciója és mozgása okoz, hatalmas változatosságot eredményezve. „Mi az első nehézséget tudjuk nagyon jól kezelni. A konkrét vegyipari alkalmazásokhoz azonban figyelembe kell vennünk az atommagok mozgását, a hőmérsékletnek és egyéb kísérleti körülménynek a szerepét is. A Kállay Mihály csoportja által fejlesztett MRCC programcsomagban erre a célra is rendelkezésre állnak eszközök” – tette hozzá a díjazott. Úgy fogalmazott, a csoport erőssége, hogy egy kézben van a kvantumkémiai módszerek elmélete – tehát a nagyon bonyolult modellek és levezetések ismerete –, valamint a programozás. Olyan közelítéseket keresnek, amelyek pontosak, és amelyekkel gyors algoritmus, majd jó minőségű szoftver tervezhető.

Lipid transzfer fehérje komplex

„Kevés helyről tudunk a világban, ahol ez a képességkészlet egy tudományos közösségben ilyen szinten van meg. A szoftvercsomag fejlesztése gyakran moduláris jellegű munkát jelent, tehát egyszerre többen többféle területén dolgozunk, mégis könnyen kommunikálunk egymással és besegítünk egymás kutatási feladataiba is. Majdnem minden csoporttaggal sikerült ilyen formán együttműködni, a közös fejtörések Gyevi-Nagy László, Szabó Bernát, Mester Dávid, Csóka József, Hégely Bence, Samu Gyula, Ganyecz Ádám és Rolik Zoltán kollégákkal különösen hasznosnak bizonyultak” – osztotta meg a kitüntetett.

„Folyamatosan alkalmazkodunk a számítástechnika fejlődéséhez is” – vallja a fiatal díjazott, elárulva azt is: a fejlesztésük ingyenesen elérhető az akadémiai szférában, már bő 600-an regisztráltak weboldalukon és néhány ipari felhasználójuk is van. Évente csaknem 50 közlemény jelenik meg, amelyekben konkrét számításokra használják az egyre népszerűbb szoftvercsomagot.

A HIV-1 integráz enzim 2380 atomos katalikus doména a rangos szakmai folyóirat címlapján

Nagy Péter kiemelte, óriási a verseny a szakterületen nemzetközi szinten, nehéz a legjobbak közé kerülni. „Két éve sikerült egy több tízmillió forint értékű számításidő-pályázatot nyernünk egy norvégiai számítógépközpontban” – számolt be a szakember. „Bizonyítanunk kellett, hogy megtanultuk a hardver- és szoftverkörnyezet tulajdonságait a lehető leghatékonyabban kihasználni. Az itthoni körülmények megedzettek minket, úgy tervezzük meg programjainkat, hogy jóval kevesebb erőforrással is elvégezhessük ugyanazokat a feladatokat.”

Nagy Péter az oktatásból is kiveszi a részét: a fizikai kémia II. számítási gyakorlat oktatója és a Fizikai kémia szigorlat vizsgabizottságának is tagja. „Itt olyan hallgatókkal is találkozom, akiknek ez választott szigorlatuk, tehát tényleg érdekli őket a terület, nagyon felkészültek, és bennünket is inspirálnak” – hangsúlyozta, majd kitért arra: a tanszéki kollégák által biztosított ösztönző légkör pedig az eredményes kutatói munka záloga, ez is segítette a Junior Prima Díj elnyerését. „Kállay Mihály több mint tíz éve építi a Spektroszkópia csoportot: kitartó munkája szükséges volt a termékeny és biztonságos közeg megalapozásához, továbbá a sikeres együttműködésekhez, amiért hálásak vagyunk” – zárta a beszélgetést a friss Junior Prima Díjas fiatal.

HA-GI

Fotó: Philip János