COMPASS MAGAZINE #10
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DER NOBELPREIS 2013 Digitale Modellierung und Simulation: bahnbrechend für die Chemie

Die Jury des Nobelpreises für Chemie 2013 würdigte den Beitrag der digitalen Modellierung für die Forschung mit der Verleihung des Preises an drei Wissenschaftler, die in diesem Bereich Pionierarbeit leisten. Martin Karplus, Michael Levitt und Arieh Warshel reflektieren ihre Entdeckung.

"Früher fertigten Chemiker ihre Molekülmodelle mit Kunststoffkugeln und Stäben. Heute übernehmen Computer diese Aufgabe. Die Computersimulation ist aus der modernen Chemie nicht mehr wegzudenken.“

Mit diesen Worten lobte die Jury des Nobelpreises für Chemie im vergangenen Jahr die Beiträge von Martin Karplus, Michael Levitt und Arieh Warshel zur Wissenschaft der molekularen Modellierung und Simulation.

Der Ansatz der drei Preisträger ist bereits über 40 Jahre alt und kombiniert zwei Ebenen der Analyse. Die erste stammt aus der „klassischen“ Newtonschen Physik und ermöglicht Forschern, große Moleküle als Ganzes zu verstehen. Die zweite geht auf die Quantenphysik zurück und versucht, chemische Reaktionen durch die Simulation des Verhaltens von Atomen vorherzusagen. Während die klassische Physik ein Molekül im Ruhezustand beschreibt, ermöglicht die Quantenphysik Wissen­ schaftlern, die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen zu verstehen.

Die Rechenzeit, die benötigt wird, um alle an einer quantenphysikalischen Reaktion beteiligten atomaren Partikel zu replizieren, sprengt selbst die Kapazitäten allermodernster Computer. Die von Karplus, Levitt und Warshel erdachte Hybrid­Lösung meistert diese Schwierigkeit, indem sie nur einige der Partikel digital simuliert. Das Ergebnis, so die Nobelpreis­Jury, sind Simulationen, die „so realistisch sind, dass sie den Ausgang herkömm­ licher Experimente vorhersagen können“.

„SIMULATION IST DER EINZIGE GÜLTIGE ANSATZ FÜR EIN WIRKLICHES VERSTÄNDNIS BIOLOGISCHER FUNKTIONEN AUF MOLEKULARER EBENE.“

ARIEH WARSHEL NOBELPREISTRÄGER FÜR CHEMIE 2013

„Durch Computersimulation können wir die genaue Struktur des Proteins beobachten“, sagt Warshel. „So verstehen wir zum Beispiel, wie sich ein Enzym auf den Verdauungsprozess von Nahrung auswirkt. Diese Information ist für die Entwicklung neuer Medikamente immens wertvoll.“

DREI MÄNNER AUF ENTDECKUNGSREISE

Das Abenteuer Nobelpreis begann in den 1970er Jahren, als Warshel dem Labor von Karplus an der Harvard University in der Nähe von Boston beitrat. Karplus hatte bereits Computer­ simulationsprogramme, die auf dem Quantenansatz basierten, entwickelt. Warshel seinerseits war ein anerkannter Experte für intra­ und intermolekulare Potenziale – die Energie, die bei einer chemischen Reaktion aufgenommen oder freigesetzt werden kann. Während seiner Tätigkeit am Weizmann­Institut für Wissenschaften in Israel arbeitete Warshel zusammen mit Levitt am Design eines Hochleistungs modells aus der klassischen Physik.

1972 stellten Karplus und Warshel das erste erfolgreiche Computermodell, das klassische und Quantenphysik kombinierte, vor. Ein Jahr später arbeitete dann auch Levitt gemeinsam mit ihnen an der Modellierung einer enzymatischen Reaktion. Bis 1976 setzte sich ihre Hybridmethode weltweit durch.

Im Laufe der darauffolgenden Jahre wurde diese Pionierarbeit immer weiter optimiert, vor allen Dingen durch die immer besser werdende Leistung der neuen Generationen von Computern. „Die jetzigen Simulationen sind nicht so teuer und laufen auf leistungsstärkeren und komplexeren Systemen“, erklärt Levitt. „Vom Prinzip her entspricht das Modell aber immer noch dem, das wir in den 70er Jahren entwickelt haben.“

Die Methode des Teams unterteilt die Atome eines einzelnen Moleküls je nach Verhalten in Gruppen. So können die Wissenschaftler Quantenberechnungen nur für diejenigen Teile des Moleküls vornehmen, die an der chemischen Reaktion beteiligt sind. Diese Technik spart Zeit, steigert die Genauigkeit und ist vor allem für die pharmazeutische Forschung von großem Interesse.

Traditionell basierte die Entwicklung von Medikamenten auf Zufalls­ experimenten – einem kostenintensiven und ineffizienten Prozess. Durch die 3D­Modellierung bestimmter Moleküle und die digitale Simulation der Mechanismen, die biologische Prozesse gestatten oder verhindern, können sich Hersteller besser auf ihre Forschung konzentrieren.

„Ich bin sehr stolz auf die Tatsache, dass diese Methode zum Entwurf von allgemeinen Antikörper­ Modellen beigetragen hat“, sagt Levitt. „Diese Forschung begann in den 1980er Jahren und führte zur Herstellung von vielen der derzeit besten Moleküle gegen Krebs.“
The scientific and human adventure that led to the Nobel Prize began in the 1970s, when Arieh Warshel joined Martin Karplus in his laboratory at Harvard University near Boston. Karplus had already developed computer-simulation programs based on the quantum approach. Warshel, meanwhile, was a recognized expert in intramolecular and intermolecular potentials (energy stored by the molecule that can be absorbed or released during a chemical reaction). And while working at the Weizmann Institute of Science in Israel, he collaborated with Michael Levitt on designing a high-performance model based on classical physics.

HERAUSFORDERUNGEN

Digitale Modellierung und Simulation werden auch weiterhin bahnbrechend sein. „Ich bin davon überzeugt, dass die Simulation derzeit der einzige gültige Ansatz für ein wirkliches Verständnis biologischer Funktionen
auf molekularer Ebene ist“, erklärt Warshel.

Für die Nobelpreisträger ist die Leistungsfähigkeit der Computer entscheidend für die Zukunft der Wissenschaft. Auch die Entwicklung von hybriden Methoden ist ihrer Meinung nach notwendig, um Quantenmodelle zu optimieren. „Chemiker sollten begreifen, dass es mehrere Wege gibt, um die Simulation für verschiedene Maßstabsebenen einzusetzen“, so Warshel.

Levitt bekräftigt: „Bestehende Methoden zu verbessern und neue Ansätze zu erfinden – das ist eine Herausforderung, die auch die Intelligenz der Forscher von morgen noch intensiv beschäftigen wird.“ ◆

WELTGEWANDTE GEWINNER

Martin Karplus wurde 1930 in Österreich geboren und zog schon als Kind in die USA um. Er hat die doppelte Staatsbürgerschaft. Arieh Warshel kam 1940 in Israel im damals britischen Mandatsgebiet auf die Welt. Er ist amerikanischer und israelischer Staats- bürger. Michael Levitt wurde in Britisch-Südafrika geboren. Er hat drei Pässe: US-amerikanisch, israelisch und britisch. Alle drei arbeiten hauptsächlich in den USA, Martin Karplus unterrichtet darüber hinaus auch in Frankreich an der Universität Straßburg.

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von Eric Glover

Scannen Sie diesen Code, um sich anzuschauen, wie Martin Karplus den Nobelpreis gewinnt : http://www.youtube.com/watch?v=Cq60JJ-vp2E&feature=youtu.be