Клаус Шультен

Внешнее видео
«Клаус Шультен, Вычислительный микроскоп» , TEDxUIUC
«Интервью Клаус Шультен, национальный лектор 2015 г. , Биофизическое общество

Клаус Шультен (12 января 1947 - 31 октября 2016) был немецко-американским вычислительным биофизиком и профессором физики Сванлундского университета Иллинойса в Урбана-Шампейн . ^[3] Шультен использовал суперкомпьютерные методы для применения теоретической физики в областях биомедицины и биоинженерии и динамического моделирования живых систем. ^[4] Его математические, теоретические и технологические инновации привели к ключевым открытиям о движении биологических клеток, сенсорных процессах в зрении, навигации животных, сборе световой энергии при фотосинтезе и обучении в нейронных сетях. ^[5]

Шультен определил цель наук о жизни - охарактеризовать биологические системы от атомного до клеточного уровня. Он использовал петафакторные компьютеры и планировал использовать компьютеры экзамасштабного масштаба для моделирования биохимических процессов атомного масштаба. Его работа сделала возможным динамическое моделирование активности тысяч белков, работающих вместе на макромолекулярном уровне. Его исследовательская группа разработала и распространила программное обеспечение для вычислительной структурной биологии , которое Шультен использовал для ряда важных открытий. Динамика молекулярной пакет NAMD и программное обеспечение визуализации VMD , по оценкам, можно использовать , по меньшей мере 300000 исследователей во всем мире. ^[4]Шультен умер в 2016 году от болезни. ^[6]

Образование [ править ]

Schulten получил Diplom степень от университета Мюнстера в 1969 году и докторскую степень в области химической физики из Гарвардского университета в 1974 году, по совету Карплус . В Гарварде Шультен изучал зрение и то, как биомолекулы реагируют на фотовозбуждение . ^[7] Он был особенно заинтересован в изучении сетчатки , а полиен и хромофор из зрительного пигмента. Шультен смог дать теоретическое объяснение экспериментальным наблюдениям «оптически запрещенного» состояния, которое не соответствовало предсказанным схемам электронного возбуждения в полиенах. Шультен классифицировал электроны на ковалентные и нековалентные состояния и определил, что электроны, которые действуют согласованным (ковалентным) образом, потребляют меньше энергии, чем те, которые были независимыми (нековалентными). ^{[8] [9]}

Карьера и исследования [ править ]

Институт биофизической химии Макса Планка [ править ]

После окончания университета Шультен поступил в Институт биофизической химии Макса Планка в Геттингене , где оставался до 1980 года. В институте он работал с Альбертом Веллером над реакциями переноса электрона. Одним из первых его проектов было объяснение продукта химической реакции, называемого «быстрый триплет».", возбужденная молекула с парой электронов с параллельными спинами. Шультен обнаружил, что магнитное поле может влиять на химическую реакцию, физический эффект, который ранее не был продемонстрирован. Было возможно показать эффект, вызвав реакцию происходить с магнитным полем и без него.Шультен особенно интересовался последствиями эффекта магнитного поля для биологических систем, таких как перенос электрона в фотосинтезе. ^{[9] [10] [11]}

Шультен также начал исследовать возможность того, что быстрые тройни могут объяснить сенсоры компаса у биологических видов, таких как перелетные птицы. То, что европейская малиновка использует некоторую форму магниторецепции, было продемонстрировано Вольфгангом Вильчко и Фрицем Меркелем в 1965 году и дополнительно изучено Вольфгангом и Розвитой Вильчко . ^{[12] [13]} Шультен предположил, что квантовая запутанность системы радикальных пар может лежать в основе биохимического компаса. ^[14] Шультен и другие с тех пор расширили эту раннюю работу, разработав модель возможного возбуждения белков криптохрома вфоторецепторы в пределах сетчатки в глазах . ^{[13] [15] [16] [17]}

Технический университет Мюнхена [ править ]

В 1980 году Schulten стал профессором теоретической физики в Мюнхенском техническом университете . В 1988 году Хартмут Мишель , Иоганн Дайзенхофер и Роберт Хубер получили Нобелевскую премию по химии за определение трехмерной структуры фотосинтетического реакционного центра . Их выяснение структуры реакционного центра позволило Клаусу Шультену разработать имитационные модели фотосинтеза. Позже Шультен работал с Мишелем и Дайзенхофером над моделями LH2 в фотосинтезе. ^[18]

Шультен признал, что успешная атака на моделирование фотосинтетического реакционного центра потребует параллельных вычислительных мощностей. Он использовал свои исследовательские гранты, чтобы поддержать мюнхенских студентов Хельмута Грубмюллера и Гельмута Хеллера в создании специального параллельного компьютера, оптимизированного для моделирования молекулярной динамики. Они разработали параллельный компьютер T60, содержащий десять печатных плат с шестью транспютерами в каждой, всего 60 узлов. T60 был достаточно мал, чтобы Шультен смог пронести его через таможню в рюкзаке, когда он переехал в Соединенные Штаты, чтобы поступить в Иллинойский университет в Урбана-Шампейн. Программное обеспечение параллельных вычислений T60, которое студенты назвали EGO, было написано на OCCAM II . ^[19]

Университет Иллинойса в Урбане-Шампейн [ править ]

В 1988 году Шультен переехал в Иллинойский университет в Урбана-Шампейн (UIUC), где в 1989 году основал группу теоретической и вычислительной биофизики в Институте передовых наук и технологий им. Бекмана ^{[3] [20].}

Ранняя разработка NAMD в UIUC была основана на работе студентов Шультена в Мюнхене по созданию специализированного параллельного компьютера, оптимизированного для моделирования молекулярной динамики. Первое моделирование на T60 смоделировало 27000 атомов мембранной структуры, и на его выполнение ушло двадцать месяцев. Результаты моделирования согласуются с экспериментальными результатами и в конечном итоге были опубликованы в Journal of Physical Chemistry . ^{[19] [21]}

Работа над T60 и Connection Machine убедила Шультена в необходимости большей вычислительной мощности и опыта. Шультен сотрудничал с компьютерными специалистами Робертом Скилом и Лаксмикантом В. Кейлом («Санджай» Кейл) по пятилетнему гранту от Национального института здоровья, и их студенты начали писать код молекулярной динамики на новом языке, C ++ . ^{[21] [22]} С тех пор исследовательская группа Шультена стала хорошо известна разработкой программного обеспечения для вычислительной структурной биологии , включая пакет молекулярной динамики NAMD и программное обеспечение для визуализации VMD.. Пакеты можно свободно использовать для некоммерческих исследований, и ими пользуются около 300 000 исследователей по всему миру. ^{[4] [23]}

Если мы хотим понять здоровье и болезнь, нам нужно понять жизнь на молекулярном уровне и знать, как все молекулярные компоненты работают вместе, как часы. ^[7]

Со временем Шультен нацелился на биологические структуры все большего размера и сложности с все более и более крупными компьютерами. К 2007 году он изучал молекулярное моделирование с использованием графических процессоров. ^[24] Проверка моделей по результатам экспериментов является неотъемлемой частью разработки, например, с использованием молекулярной динамики в сочетании с криоэлектронной микроскопией и рентгеновской кристаллографией . изучать строение крупных высокомолекулярных комплексов . ^[25]

1996 год ознаменовался публикацией модели Шультена структуры LH2 семейства белков фотосинтетического реакционного центра Rhodospirillum molischianum. Опираясь на структуру Ричарда Дж. Когделла девятисвернутого LH-2 из Rhodopseudomonas acidophila, Шультен работал с Мишелем над разработкой восьмискладчатой ​​модели кристаллической структуры LH2 в R. В дополнение к его спектроскопическим свойствам, они исследовали его реакции передачи энергии при фотосинтетическом сборе света. ^{[18] [26]}

В 2006 году группа Шультена смоделировала вирус спутниковой табачной мозаики , имитируя фемтосекундные взаимодействия примерно одного миллиона атомов вируса и окружающей капли соленой воды в течение 50 миллиардных долей секунды. Это был первый случай создания такой полной модели, для чего потребовались ресурсы Национального центра суперкомпьютерных приложений.в Урбане. Моделирование дало новое представление о деятельности вируса. Одно открытие заключалось в том, что вирус, который выглядит симметрично на неподвижных изображениях, на самом деле асимметрично появляется и исчезает. Другой заключался в том, что оболочка вируса, белковый капсид, зависит от генетического материала в ядре РНК частицы и без него разрушится. Это говорит о том, что генетический материал должен уже присутствовать, прежде чем вирус сможет построить свою оболочку при воспроизведении. ^{[27] [28] [29]} Такое исследование указывает на возможные вмешательства, которые могут помочь контролировать вирус, а также предлагает возможность изучения возможных вмешательств in silico для прогнозирования эффективности. ^[30]

Обзор 2009 года описывает работу по моделированию и проверке симуляций белков, таких как тайтин , фибриноген , анкирин и кадгерин, с использованием «компьютерного микроскопа» группы. ^[31]

В 2010 году группа Шультеном по адресу Иллинойсе и исследователей в Университете штата Юта опубликовал исследование рассматривает развитие лекарственной устойчивости к Тамифлю в H1N1pdm свиного гриппа и H5N1 птичьего гриппа вирус . Их моделирование показало, что устойчивость к лекарствам может возникать из-за нарушения процесса связывания из-за электростатического притяжения в заряженных нейраминидазных путях, в дополнение к нарушению пентильной боковой группы Тамифлю. ^{[19] [32]}

В 2013 году группа Шультена опубликовала смоделированную структуру капсида вируса иммунодефицита человека, содержащую 64 миллиона атомов, среди крупнейших представленных моделей, созданных с помощью суперкомпьютера Blue Waters . ^[33]

По состоянию на 2015 год самые масштабные модели, о которых сообщалось, включали сто миллионов атомов. Команда Шультена по образцу структуры и функции пурпурных бактерий «ы хроматофора , один из самых простых примеров жизни фотосинтеза . Моделирование процессов, связанных с преобразованием солнечного света в химическую энергию, означало представление 100 миллионов атомов, 16 000 липидов и 101 белка, содержимое крошечной шарообразной органеллы, занимающей всего один процент от общего объема клетки. Команда использовала суперкомпьютер Titan в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси. ^{[7] [34]}На момент своей смерти Шультен уже планировал моделирование компьютера Summit экстра-масштаба, который, как ожидается, будет построен к 2018 году ^[7].

Награды и членство [ править ]

Шультен был членом Биофизического общества (2012 г.) ^[35] и Американского физического общества (1992 г.). ^[36] Он получил премию Сидни Фернбаха (вместе с Лаксмикантом В. Кейлом) от компьютерного общества IEEE в 2012 году. ^[5] Он получил награду за выдающиеся заслуги перед биофизическим обществом за 2013 год за «создание основы для реалистичного молекулярно-динамического моделирования биологические макромолекулы во временных масштабах, соответствующих физиологической сфере, и для обеспечения открытого доступа к методам и программному обеспечению ". ^{[3] [37]} Он был национальным лектором Биофизического общества в 2015 году, что стало высшей формой признания, данной обществом.^[38]

Ссылки [ править ]