Одно уравнение смогло объяснить то, над чем суперкомпьютеры ломали голову десятилетиями

Исследователи из Университета Орегона сделали важный шаг вперёд в области моделирования движения крупных молекул — таких как белки, ДНК и даже пластики. Выполнить точные вычисления для таких систем чрезвычайно сложно, даже для самых мощных суперкомпьютеров. Но теперь, благодаря новой математической формуле, разработанной аспирантом Джесси Холлом, задача стала значительно проще.

Формула, опубликованная в журнале Physical Review Letters, повышает точность так называемых грубозернистых моделей, которые используются для симуляции молекулярных процессов. Эти модели упрощают структуры, позволяя учёным проводить вычисления быстрее и дешевле, но до сих пор страдали от одной проблемы — они неточно описывали трение, возникающее при движении молекул в жидкости. А без правильного учёта трения невозможно надёжно смоделировать, как молекулы ведут себя в реальности.

Холл и его научный руководитель Марина Гуэнца нашли способ описать как внутренние колебания молекулы, так и её движение сквозь жидкость — одновременно, в рамках одного уравнения. Раньше для этого использовались различные приближённые методы, в основном основанные на классической формуле Эйнштейна, которая связывает подвижность частицы с её диффузией. Но они не давали полной картины.

«Мы создали более универсальную форму соотношения Эйнштейна, которая позволяет настраивать расчёты под конкретную систему и получать более достоверные результаты», — объясняет Холл. Его формула стала первым инструментом, который учитывает сразу оба аспекта трения, а не только один из них.

Это открытие особенно важно для биофизики и химии: оно поможет понять, как именно белки и ДНК взаимодействуют друг с другом, как происходят мутации, и каким образом молекулы «собираются» в сложные биомеханизмы. Такие знания могут быть полезны при разработке новых лекарств, диагностике заболеваний, связанных с ошибками в репликации ДНК, и даже в создании новых устойчивых материалов.

«Когда у нас есть хорошая модель, мы можем изменять структуру молекул на компьютере и смотреть, как это влияет на их работу. Это как иметь лабораторию внутри симуляции», — добавляет Гуэнца.

Хотя работа Холла пока в основном теоретическая, он уверен, что её результаты станут практическим инструментом, которым смогут воспользоваться другие учёные в самых разных областях — от медицины до материаловедения.