Een van de meest invloedrijke wetenschappelijke studies aller tijden begon met een bescheiden minicomputer, enkele gesimuleerde dozen met watermoleculen en een grootse visie voor computerondersteunde chemie. Het jaar was 1982. William Jorgensen — nu een gerespecteerde, Sterling Professor in de Chemie aan Yale — was een 32-jarige assistent-professor aan de Purdue Universiteit in West Lafayette, Indiana.
Jorgensen had al geholpen bij het ontwikkelen van het CAMEO computerprogramma om de producten van chemische reacties te voorspellen. Maar nu had hij een idee dat het geneesmiddelenonderzoek wereldwijd zou revolutioneren. Hij raakte geboeid door de gedachte om een “minicomputer” — die in die tijd ter grootte van een hoge kast was — te gebruiken om nauwkeurige modellen te creëren van hoe watermoleculen met elkaar omgaan. Zou hij, indien succesvol, moleculen in oplossing kunnen simuleren, beginnend met eenvoudige vloeistoffen en verdergaand naar biomoleculaire systemen?
De resulterende studie, “Vergelijking van eenvoudige potentiaalfuncties voor het simuleren van vloeibaar water,” die een jaar later werd gepubliceerd in het Journal of Chemical Physics, zou het veld van het modelleren van vloeibaar water domineren, met een reeks gerelateerde werken die tot in het tijdperk van machine learning en supercomputers voortduurt. Tot op de huidige maand hebben meer dan 45.000 andere studies Jorgensens baanbrekende werk geciteerd. Eerder dit jaar stond het op de 88e plek in een lijst van meest geciteerde studies aller tijden.
“Het blijvende succes van Jorgensens werk uit 1983 ligt in de zeldzame combinatie van eenvoud, overdraagbaarheid en fysieke degelijkheid,” zei Chris Chipot, onderzoeksdirecteur aan het Centre National de la Recherche Scientifique aan de Universiteit van Lorraine. Chipot heeft de studie in vrijwel al zijn eigen papers de afgelopen 30 jaar geciteerd. “De duurzaamheid van Jorgensens modellen toont aan hoe fundamenteel, nieuwsgierigheidgedreven onderzoek verstrekkende en onverwachte impact kan hebben.”
Van Chemiesets naar Een Computerevolutie
Jorgensen werd al op jonge leeftijd aangetrokken tot de wetenschap. Opgegroeid in Port Washington, deed hij talloze experimenten met zijn A.C. Gilbert chemieset. In de middelbare school leerde hij zichzelf programmeren in BASIC. Hij studeerde af aan Princeton en ging naar Harvard voor zijn postdoctorale studie.
Al snel richtte hij zijn onderzoek op de noodzaak voor betere simulaties van systemen in oplossing. “Ik realiseerde me heel snel dat ik reacties in vloeistoffen wilde bestuderen,” zei Jorgensen. Hiervoor had hij computervaardigheden nodig en hij leerde statistische mechanica.
In de late jaren ’70 had Purdue enkele vroege mainframecomputers, en in de vroege jaren ’80 werden computerresources steeds toegankelijker, waardoor Jorgensen zijn eigen computer in zijn lab kon hebben. Hij en zijn onderzoeksgroep kochten een Harris 80, gefinancierd door een subsidie van de National Science Foundation.
De Doorbraak van Watermodellen
Jorgensen besteedde maanden aan het uitvoeren van berekeningen voor zijn watermodel. Hij kon echter slechts één “taak” tegelijk uitvoeren, wat betekende dat hij dagelijks moest wachten op resultaten. Hij vroeg Michael Klein om samen te werken, en samen ontwikkelden ze de TIP3P en TIP4P modellen die essentieel werden in de wetenschap.
“De TIP3P en TIP4P modellen capteren de essentiële fysica van vloeibaar water met het minste aantal parameters,” zei Chipot. “Hun eenvoud maakt ze computationeel efficiënt, maar ook breed compatibel.”
Jorgensen lid geworden van de Yale-faculteit in 1990 en ontving verschillende prijzen, waaronder de ACS Award voor Computers in Chemisch en Farmaceutisch Onderzoek. Hij was redacteur van het ACS Journal of Chemical Theory and Computation en is lid van de American Academy of Arts and Sciences.
Hedendaagse Impact en Toekomstige Innovatie
Met de COVID-pandemie begon Jorgensen en zijn collega’s met het toepassen van decennia aan onderzoek in geneesmiddelenontwikkeling. “In 2020 konden we, in een paar maanden, een potentieel krachtige virale remmer ontwerpen,” zei hij.
“Het is ongelooflijk om terug te kijken op waar we waren en de worstelingen van het uitvoeren van een eenvoudige vloeistofsimulatie.”
Op de wand van zijn kantoor staan de originele computerprintouts en handgeschreven notities van zijn studie uit 1983, een bewijs van zijn blijvende impact op de wetenschap.
