Rekvizitárna

Molekulární stavebnice

Stavebnice je nezbytná pomůcka

Dokázali byste si představit učení (se) chemii bez nějaké (prostorové) vizuální pomůcky? Já ne, a nejen já. Neobešel se bez ní ani legendární Linus Pauling, držitel dvou Nobelových cen, ani objevitelé struktury DNA Watson s Crickem. Ba dokonce, molekulární stavebnice pro ně byla klíčovým nástrojem. Detailně o tom píše Siddharta Muherjee v knize Gen: O dědičnosti v našich osudech.
Jediný vědec, k němuž chovali úctu, i když rezervovanou, byl Linus Pauling, nadpozemský chemik z Caltechu, který nedávno oznámil, že vyřešil důležitou hádanku týkající se struktury proteinů. Proteiny jsou tvořeny řetězci aminokyselin. Tyto řetězce se v trojrozměrném prostoru skládají, takže vznikají substruktury, které pak dále tvoří větší struktury (představte si řetězec, který se nejdříve svine do podoby pružiny, jež se pak dále stáčí do kulovitého neboli globulárního tvaru). Pauling při práci s krystaly zjistil, že proteiny se často skládají do typické substruktury jednoduché šroubovice svinuté do podoby pružiny. Svůj model odhalil na konferenci Caltechu s ci- tem pro dramatický účinek ve stylu kouzelníka vytahujícího z klobouku molekulárního králíka: model byl do konce přednášky ukrytý za závěsem, a pak - abrakadabra - byl odhalen ohromenému a aplaudujícímu publiku. Šuškalo se, že Pauling teď obrátil svou pozornost od proteinů ke struktuře DNA. Osm tisíc kilometrů odtud v Cambridgi Watson a Crick skoro citili, jak jim Pauling dýchá na záda. Paulingova zásadní práce o proteinové šroubovici vyšla v dubnu 1951. Byla plná rovnic a čísel, takže odrazovala od čtení dokonce i odborníky. Crick se však v matematických vzorcích dokonale orientoval, a proto roz- poznal, že Pauling za kouřovou clonou algebry skrývá mimořádnou meto- du. Watsonovi řekl, že Paulingův model je ve skutečnosti „produkt selského rozumu, nikoliv výsledek složitého matematického uvažování". Skutečné kouzlo spočívalo v představivosti. „Občas do jeho argumentace pronika- ly rovnice, ale ve většině případů by byla stačila slova. ... Objev alfa-šrou- bovice nevyplynul z civění na rentgenové snímky; místo toho hlavní trik představovalo hledání atomů, které rády sedávají vedle sebe. Namísto pa- píru a tužky tvořily hlavní pracovní nástroje molekulární modely, které na první pohled připomínaly hračky pro předškolní děti." Zde Watson a Crick učinili svůj nejintuitivnější vědecký krok. Co kdyby bylo možné strukturu DNA poznat pomocí stejných,,triků", s nimiž prorazil Pauling? Rentgenové snímky mohly být samozřejmě užitečné, ale pokou- šet se určovat struktury biologických molekul experimentálně, prohlašoval Crick, je nemožně pracné,,jako pokoušet se určit strukturu piana na základě poslechu zvuku, který vydává, když ho někdo shodí ze schodů“. Co když je ale struktura DNA tak jednoduchá, tak elegantní, že by ji bylo možné odvo- dit selským rozumem" sestavováním modelů? Co kdyby šlo strukturu DNA vyřešit skládačkou z hůlek a kamínků?
Pointo toho příběhu všichni známe: Přesně tak, jak se tu naznačuje, totiž skládáním modelů, mladíci na model skutečné struktury DNA přišli. Jistě, všechna ta krystalografická piplačka Rosalind Franklinové i všechny slepé cesty, kteří předchůdci objevu prošlapali, hrály významnou roli. Ten “aha-moment” ale nastal až se stavebnicí.
Proč to tak je? Novější výzkumy na to odpovídají:
Jak ve své studii o limitech mentální vizualizace zjistili výzkumníci Deborah Chambers a Daniel Reisberg: „Dovednosti, které jsme si vyvinuli k zacházení s vnějším světem, přesahují ty, které máme k zacházení se světem vnitřním.“
Tiago Forte. Pořiďte si druhý mozek, location 3415-3418 on Amazon Kindle
Jinými slovy: Pokud máme problém vizualizovaný, dokážeme ho promýšlet lépe a důkladněji, než když na něj jenom myslíme. I zkušeností géniové, jakým byl Pauling, potřebují strukturu doslova vidět.
Metodický tip: Vyzkoušejte si a promyslete.
Zkoušeli jste postavit z Lega lidskou postavu? Nebo z Merkuru dům? Obojí jde, ale špatně. Proč to tak je?

Vlastnosti ideální stavebnice

Tvůrce stavebnice bude balancovat mezi dostatečnou variabilitou, a přitom sdělností. Když totiž zvolíme jako základní stavební kámen atom, nemůžeme od stavebnice chtít např. rozložení náboje. Na druhou stranu, půjde-li o stavebnici konkrétní molekuly (podobně, jako když si koupíte Lego obsahující díly právě na tento model a na nic jiného), těžko z ní postavíte něco víc.
Od ideální stavebnice očekávám, že bude
Maximálně variabilní, a zároveň, že
bude naznačovat, kde je molekula “lepkavá/sticky” - tedy kde má zvýšenou/sníženou elektronovou hustotu (jako ukauzují “heatmaps” elektronové hustoty na obrázku) - ideálně tak, aby to fyzikálně tak i fungovalo (např. pomocí magnetů), případně, aby to mělo nějakou VR/augment reality vrstvu, kde tohle bude vidět,
bude odpovídat geometrickým konformacím (aromatické bloky budou ploché atd.),
bude objemově věrná,
bude rigidní tam, kde ve skutečnosti je, a bude plastická tam, kde ve skutečnosti je.
image.png
Elektronová hustota u porfyrinu a některých aminokyselin. Převzato z Zlatović, Mario & Borozan, Suncica & Nikolic, Milan & Stojanović, Srđan. (2015). Anion-π interactions in protein-porphyrin complexes. RSC Adv.. 5. 10.1039/C5RA03373J.
Umím si představit stavebnici třeba té DNA, kde se komplementární vlákna sama stočí do dvoušroubovice a na místě vodíkových můstků se 2, respektive 3 magnety připojí. Něco podobného vytvořil Killar Tibits se svým týmem v
image.png

Typologie molekulárních stavebnic

Na trhu je jich celá řada; každá se ovšem hodí na něco jiného.
image.png
image.png
Want to print your doc?
This is not the way.
Try clicking the ⋯ next to your doc name or using a keyboard shortcut (
CtrlP
) instead.