Klaus Schulten - Klaus Schulten

Klaus Schulten
narozený(1947-01-12)12. ledna 1947
Recklinghausen, Německo[1]
Zemřel31. října 2016(2016-10-31) (ve věku 69)
Urbana, Illinois, NÁS.
Alma materHarvardská Univerzita
Známý jakoMolekulární dynamika, Fotosyntéza, Vysoce výkonná výpočetní technika, Molekulární grafika
Manžel (y)Zaida Luthey-Schulten
OceněníNárodní lektor biofyzikální společnosti, Cena Sidney Fernbach
Vědecká kariéra
PoleFyzika, Chemie, Biofyzika, Výpočetní biologie
InstituceUniversity of Illinois v Urbana Champaign
Doktorský poradceMartin Karplus
DoktorandiAxel Brunger[2]
webová stránkahttp://www.ks.uiuc.edu/~kschulte
Externí video
ikona videa "Klaus Schulten, výpočetní mikroskop", TEDxUIUC
ikona videa „Interview Klaus Schulten, 2015 National Lecturer, Biofyzikální společnost

Klaus Schulten (12.01.1947 - 31.10.2016) byl německo-americký výpočetní biofyzik a Swanlund profesor fyziky na University of Illinois v Urbana-Champaign.[3] Schulten použit superpočítač techniky aplikovat teoretickou fyziku na pole biomedicína a bioinženýrství a dynamicky modelovat živé systémy.[4] Jeho matematické, teoretické a technologické inovace vedly ke klíčovým objevům o pohybu biologických buněk, smyslových procesech ve vidění, navigaci zvířat, získávání světelné energie ve fotosyntéze a učení v neuronových sítích.[5]

Schulten označil za cíl věd o živé přírodě charakterizovat biologické systémy od atomové po buněčnou úroveň. Použil počítače v petascale a plánovali použít počítače v měřítku exa k modelování biochemických procesů v atomovém měřítku. Jeho práce umožnila dynamickou simulaci aktivit tisíců proteinů spolupracujících na makromolekulární úrovni. Jeho výzkumná skupina vyvinula a distribuovala software pro výpočetní účely strukturní biologie, které Schulten použil k provedení řady významných objevů. The molekulární dynamika balík NAMD a vizualizační software VMD odhaduje se, že je používá nejméně 300 000 výzkumných pracovníků po celém světě.[4] Schulten zemřel v roce 2016 po nemoci.[6]

Vzdělávání

Schulten obdržel a Diplom stupně z University of Münster v roce 1969 a doktorát v chemická fyzika z Harvardská Univerzita v roce 1974, doporučeno Martin Karplus. Na Harvardu studoval Schulten vidění a způsoby, kterými reagují biomolekuly fotoexcitace.[7] Zvláště se zajímal o studium sítnice, a polyen a a chromofor z vizuální pigment. Schulten byl schopen poskytnout teoretické vysvětlení experimentálních pozorování stavu „opticky zakázaného“, který neodpovídal předpokládaným vzorům elektronického buzení v polyenech. Schulten klasifikoval elektrony do kovalentních a nekovalentních stavů a ​​určil, že elektrony, které působí koordinovaně (kovalentně), spotřebovávají méně energie než ty, které jsou nezávislé (nekovalentní).[8][9]

Kariéra a výzkum

Institut Maxe Plancka pro biofyzikální chemii

Po ukončení studia se Schulten připojil k Institut Maxe Plancka pro biofyzikální chemii v Göttingenu, kde zůstal do roku 1980. V ústavu pracoval s Albert Weller o reakcích přenosu elektronů. Jedním z jeho prvních projektů bylo vysvětlení produktu chemické reakce zvaného „rychle“ trojice ", vzrušená molekula s párem elektronů s paralelními spiny. Schulten objevil, že magnetické pole může prokazatelně ovlivnit chemickou reakci, fyzický účinek, který nebyl dříve prokázán. Účinek bylo možné ukázat vyvoláním reakce Schulten se obzvláště zajímal o důsledky účinku magnetického pole pro biologické systémy, jako je přenos elektronů ve fotosyntéze.[9][10][11]

Schulten také začal zkoumat možnost, že rychlé trojčata mohou vysvětlit senzory kompasu u biologických druhů, jako jsou migrující ptáci. Že Evropský červenka použil nějakou formu magnetorecepce bylo prokázáno Wolfgang Wiltschko a Fritz Merkelová v roce 1965 a dále studoval Wolfgang a Roswitha Wiltschko.[12][13] Schulten to navrhl Kvantové zapletení systému radikálních párů by mohl být základem biochemického kompasu.[14] Schulten a další od té doby rozšířili tuto ranou práci a vyvinuli model možného buzení kryptochrom bílkoviny v fotoreceptory v rámci sítnice z oko.[13][15][16][17]

Technická univerzita v Mnichově

V roce 1980 se Schulten stal profesorem teoretická fyzika na Technická univerzita v Mnichově. V roce 1988 Hartmut Michel, Johann Deisenhofer, a Robert Huber získal Nobelovu cenu za chemii za stanovení trojrozměrné struktury fotosyntetické reakční centrum. Jejich objasnění struktury reakčního centra umožnilo Klausovi Schultenovi vyvinout simulační modely fotosyntézy. Schulten později pracoval s Michelem a Deisenhoferem na modelech LH2 ve fotosyntéze.[18]

Schulten si uvědomil, že úspěšný útok na modelování fotosyntetického reakčního centra by vyžadoval paralelní výpočetní výkon. Svými výzkumnými granty podpořil mnichovské studenty Helmuta Grubmüllera a Helmuta Hellera při budování zakázky paralelní počítač optimalizováno pro simulace molekulární dynamiky. Vyvinuli paralelní počítač T60, který obsahoval deset desky plošných spojů se šesti Transportéry každý, tedy celkem 60 uzlů. T60 byl dost malý na to, aby jej Schulten mohl přepravovat celními orgány v batohu, když se přestěhoval do Spojených států, aby se připojil k Illinoiské univerzitě v Urbana-Champaign. Byl napsán paralelní počítačový software T60, který studenti pojmenovali EGO OCCAM II.[19]

University of Illinois v Urbana-Champaign

V roce 1988 se Schulten přestěhoval do University of Illinois v Urbana-Champaign (UIUC), kde založil skupinu teoretické a výpočetní biofyziky na Univerzitě Palackého v Olomouci Beckman Institute for Advanced Science and Technology v roce 1989.[3][20]

Počáteční vývoj NAMD na UIUC vycházel z práce Schultenových studentů v Mnichově na vybudování zvyku paralelní počítač optimalizováno pro simulace molekulární dynamiky. První simulace na T60 modelovala 27 000 atomů membránové struktury a její spuštění trvalo dvacet měsíců. Výsledky simulace souhlasily s experimentálními výsledky a byly nakonec zveřejněny v Journal of Physical Chemistry.[19][21]

Práce na modelech T60 a Připojovací stroj přesvědčil Schultena, že je zapotřebí více výpočetního výkonu a odborných znalostí. Schulten uzavřel partnerství s počítačovými vědci Robertem Skeelem a Laxmikantem V. Kaleem („Sanjay“ Kale) o pětiletém grantu od NIH a jejich studenti začali psát kód molekulární dynamiky v novém jazyce, C ++.[21][22] Od té doby se Schultenova výzkumná skupina stala dobře známou pro vývoj výpočetního softwaru strukturní biologie, včetně molekulární dynamika balík NAMD a vizualizační software VMD. Balíčky jsou volně použitelné pro nekomerční výzkum a používá je přibližně 300 000 výzkumných pracovníků po celém světě.[4][23]

Pokud chceme porozumět zdraví a nemocem, musíme porozumět životu na molekulární úrovni a vědět, jak všechny molekulární složky spolupracují jako hodinky.[7]

V průběhu doby se Schulten zaměřil na biologické struktury rostoucí velikosti a složitosti s většími a většími počítači. Do roku 2007 zkoumal molekulární modelování použitím jednotky grafického zpracování (GPU).[24] Ověření modelů na základě experimentálních výsledků je nedílnou součástí vývoje, například s využitím molekulární dynamiky v kombinaci s kryo-elektronová mikroskopie a Rentgenová krystalografie. studovat struktury velkého makromolekulární komplexy.[25]

V roce 1996 byl zveřejněn Schultenův model struktury LH2 rodina proteinů z fotosyntetického reakčního centra Rhodospirillum molischianum. Na základě struktury Richarda J. Cogdella z devítinásobného LH-2 z Rhodopseudomonas acidophila Schulten spolupracoval s Michelem na vývoji modelu složené krystalové struktury LH2 v R. molischianum. Kromě spektroskopických vlastností zkoumali také jeho reakce přenosu energie při fotosyntetickém získávání světla.[18][26]

V roce 2006 modelovala Schultenova skupina model virus satelitní tabákové mozaiky, emulující femtosekundové interakce přibližně jednoho milionu atomů ve viru a okolní kapky slané vody po dobu 50 miliardtin sekundy. Bylo to poprvé, co byl vygenerován takový kompletní model, který vyžadoval zdroje Národní centrum pro superpočítačové aplikace v Urbana. Simulace poskytla nové poznatky o aktivitách viru. Jedním z objevů bylo, že virus, který na obrázcích vypadá symetricky, ve skutečnosti pulzuje dovnitř a ven asymetricky. Další bylo, že virový plášť, proteinová kapsida, je závislý na genetickém materiálu v jádru RNA částice a bez něj se zhroutí. To naznačuje, že genetický materiál musí být již přítomen, než si virus může při reprodukci vytvořit svůj plášť.[27][28][29] Takový výzkum poukazuje na možné zásahy, které mohou pomoci při kontrole viru, a nabízí také možnost prozkoumat možné zásahy in silico předvídat účinnost.[30]

Recenze z roku 2009 popisuje práci při modelování a ověřování simulací proteinů, jako je titin, fibrinogen, ankyrin, a kadherin pomocí „počítačového mikroskopu“ skupiny.[31]

V roce 2010 zveřejnila Schultenova skupina v Illinois a vědci z University of Utah výzkum zabývající se vývojem odolnost vůči lékům na Tamiflu v H1N1pdm prasečí chřipka a H5N1 ptačí chřipka virus. Jejich simulace naznačují, že rezistence vůči léčivu může vzniknout z narušení procesu vazby v důsledku elektrostatické přitažlivosti v nabitém stavu neuraminidáza cest, kromě narušení pentylové postranní skupiny Tamiflu.[19][32]

V roce 2013 Schultenova skupina zveřejnila simulovanou strukturu virus lidské imunodeficience kapsid obsahující 64 milionů atomů, mezi největší hlášené simulace, vyrobené pomocí superpočítače Modré vody.[33]

Jak 2015, největší hlášené simulace zahrnovaly sto milionů atomů. Schultenův tým modeloval strukturu a funkci a Fialové bakterie je chromatofor, jeden z nejjednodušších žijících příkladů fotosyntéza. Modelování procesů podílejících se na přeměně slunečního záření na chemickou energii znamenalo představovat 100 milionů atomů, 16 000 lipidů a 101 proteinů, obsah malé organely ve tvaru koule, která zabírá jen jedno procento celkového objemu buňky. Tým použil Titanový superpočítač na Národní laboratoř v Oak Ridge v Tennessee.[7][34] Po jeho smrti Schulten již plánoval simulace pro počítač Summit v měřítku exa, jehož výroba se očekává do roku 2018.[7]

Ocenění a členství

Schulten byl členem Biofyzikální společnost (2012)[35] a Americká fyzická společnost (1992).[36] Obdržel Cena Sidney Fernbach (s Laxmikantem V. Kaleem) z IEEE Computer Society v roce 2012.[5] Získal Cenu Biofyzikální společnosti za významnou službu za rok 2013 za „položení základů realistických molekulárně dynamických simulací biologických makromolekul v časových měřítcích, které odpovídají fyziologické oblasti, a za zpřístupnění metod a softwaru“.[3][37] V roce 2015 byl národním lektorem Biofyzikální společnosti, což je nejvyšší forma uznání udělená společností.[38]

Reference

  1. ^ „Klaus Schulten (nekrolog)“. News-Gazette. 4. listopadu 2016. Citováno 4. listopadu 2016.
  2. ^ Mossman, K. (30. července 2008). "Profil Axel Brunger". Sborník Národní akademie věd. 105 (31): 10643–10645. Bibcode:2008PNAS..10510643M. doi:10.1073 / pnas.0806286105. PMC  2504785. PMID  18667701.
  3. ^ A b C „Klaus Schulten“. Skupina teoretické a výpočetní biofyziky. University of Illinois v Urbana-Champaign. Citováno 16. března 2015.
  4. ^ A b C „Klaus Schulten hovoří o vývoji výpočetní biofyziky“. Vědecké výpočty. 14. března 2014. Citováno 4. ledna 2016.
  5. ^ A b „Laxmikant V. Kale & Klaus Schulten“. IEEE Computer Society. Citováno 9. ledna 2016.
  6. ^ McGaughey, Steve; Reilly, Maeve (31. října 2016). „Lídr v oblasti biofyziky a výpočetního modelování zemřel“. Beckman Institute News. Citováno 1. listopadu 2016.
  7. ^ A b C d Dougherty, Elizabeth (23. října 2015). „Computing Cellular Clockworks: Klaus Schulten“. Konsorcium SBGrid. Prezident a spolupracovníci Harvard College.
  8. ^ Schulten, Klaus; Ohmine, I .; Karplus, Martin (1976). „Korelační efekty ve spektrech polyenů“ (PDF). J. Chem. Phys. 64 (11): 4422–4441. Bibcode:1976JChPh..64.4422S. doi:10.1063/1.432121. Citováno 8. ledna 2016.
  9. ^ A b Pollack, Liso. „Odhalení fotosyntézy krok za krokem: čtyři desetiletí výzkumu v teoretické a výpočetní biofyzice“. Skupina teoretické a výpočetní biofyziky. University of Illinois v Urbana-Champaign. Citováno 8. ledna 2016.
  10. ^ Schulten, Klaus; Staerk, H .; Weller, Albert; Werner, Hans-Joachim; Nickel, B. (1976). "Závislost magnetického pole na rekombinaci geminátu radikálových iontových párů v polárních rozpouštědlech". Zeitschrift für Physikalische Chemie. NF101 (1–6): 371–390. doi:10.1524 / zpch.1976.101.1-6.371.
  11. ^ Werner, Hans-Joachim; Schulten, Klaus; Weller, Albert (1978). „Přenos elektronů a výměna spinů přispívající k závislosti magnetického pole na primární fotochemické reakci bakteriální fotosyntézy“ (PDF). Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - bioenergetika. 502 (2): 255–268. doi:10.1016/0005-2728(78)90047-6. PMID  306834. Citováno 8. ledna 2016.
  12. ^ Wiltschko W, Wiltschko R. (7. dubna 1972). „Science. 1972 Magnetický kompas evropských robinů“. Věda. 176 (4030): 62–4. Bibcode:1972Sci ... 176 ... 62W. doi:10.1126 / science.176.4030.62. PMID  17784420.
  13. ^ A b McFadden, Johnjoe; Al-Khalili, Jim (2015). Život na hraně: Příchod věku kvantové biologie. Koruna. 171–179. ISBN  9780307986818. Citováno 11. ledna 2016.
  14. ^ Schulten, Klaus; Swenberg, Charles E .; Weller, Albert (1978). „Biomagnetický senzorický mechanismus založený na koherentním elektronovém rotačním pohybu modulovaném magnetickým polem“. Zeitschrift für Physikalische Chemie. NF111: 1–5. doi:10.1524 / zpch.1978.111.1.001. Citováno 11. ledna 2016.
  15. ^ „Kryptochrom a magnetické snímání“. Skupina teoretické a výpočetní biofyziky. University of Illinois v Urbana-Champaign. Citováno 11. ledna 2016.
  16. ^ Solov'yov, Ilia A .; Hore, P. J .; Ritz, Thorsten; Schulten, Klaus (2013). "10. Chemický kompas pro navigaci ptáků". V Mohseni, Masoud; Omar, Jásir; Engel, Gregory S .; Plenio, Martin B. (eds.). Kvantové efekty v biologii. Cambridge University Press. 218–236. ISBN  978-1107010802. Citováno 11. ledna 2016.
  17. ^ Keim, Brandon (23. června 2009). „Reverzní inženýrství kvantového kompasu ptáků“. Kabelové. Citováno 11. ledna 2016.
  18. ^ A b Govindjee, J. Thomas Beatty; Gest, H .; Allen, J.F. (2005). Objevy ve fotosyntéze. Nizozemsko: Springer. str. 417. ISBN  978-1-4020-3323-0. Citováno 8. ledna 2016.
  19. ^ A b C Pollack, Lisa (2012). „Kapitola 2: Tvorba NAMD, historie rizik a odměn: Klaus Schulten vzpomíná“. Ve Schlick, Tamar (ed.). Inovace v biomolekulárním modelování a simulacích. Cambridge: Royal Soc Of Chemistry. s. 8–22. ISBN  978-1-84973-410-3.
  20. ^ "Přehled - skupina TCB". Skupina teoretické a výpočetní biofyziky. University of Illinois v Urbana-Champaign. Citováno 6. ledna 2016.
  21. ^ A b Heller, Helmut; Schaefer, Michael; Schulten, Klaus (srpen 1993). "Simulace molekulární dynamiky dvojvrstvy 200 lipidů v gelu a ve fázi tekutých krystalů". The Journal of Physical Chemistry. 97 (31): 8343–8360. doi:10.1021 / j100133a034.
  22. ^ Kale, Laxmikant V .; Bhatele, Abhinav (2013). Paralelní vědecké a technické aplikace: přístup Charm ++. Boca Raton: CRC Press. str. 62. ISBN  9781466504127. Citováno 9. ledna 2016.
  23. ^ Pollack, Liso. „VMD: Dvacet let historie a inovací“. Skupina teoretické a výpočetní biofyziky. University of Illinois v Urbana-Champaign. Citováno 13. ledna 2016.
  24. ^ Kámen, JE; Phillips, JC; Freddolino, PL; Hardy, DJ; Trabuco, LG; Schulten, K (prosinec 2007). "Zrychlení aplikací molekulárního modelování pomocí grafických procesorů". Journal of Computational Chemistry. 28 (16): 2618–40. CiteSeerX  10.1.1.466.3823. doi:10.1002 / jcc.20829. PMID  17894371.
  25. ^ Trabuco, Leonardo G .; Villa, Elizabeth; Schreiner, Eduard; Harrison, Christopher B .; Schulten, Klaus (říjen 2009). „Flexibilní přizpůsobení molekulární dynamiky: Praktický průvodce kombinací kryoelektronové mikroskopie a rentgenové krystalografie“. Metody. 49 (2): 174–180. doi:10.1016 / j.ymeth.2009.04.005. PMC  2753685. PMID  19398010.
  26. ^ Koepke, Juergen; Hu, Xiche; Muenke, Cornelia; Schulten, Klaus; Michel, Hartmut (květen 1996). „Krystalová struktura komplexu II (B800–850) na sklizeň světla z Rhodospirillum molischianum“. Struktura. 4 (5): 581–597. doi:10.1016 / S0969-2126 (96) 00063-9. PMID  8736556. Citováno 11. ledna 2016.
  27. ^ Pearson, Helen (14. března 2006). „Superpočítač vytváří virus: Simulace Vast zachycuje molekuly v pohybu“. Příroda. doi:10.1038 / novinky060313-4. Citováno 8. ledna 2016.
  28. ^ Freddolino, PL; Arkhipov, AS; Larson, SB; McPherson, A; Schulten, K (březen 2006). "Simulace molekulární dynamiky úplného viru mozaiky tabákových satelitů". Struktura. 14 (3): 437–49. doi:10.1016 / j.str.2005.11.014. PMID  16531228.
  29. ^ Bader, David A., ed. (2008). Výpočet Petascale: algoritmy a aplikace. Boca Raton: Chapman & Hall / CRC. 214–215. ISBN  978-1-58488-909-0. Citováno 8. ledna 2016.
  30. ^ Falkenburg, Brigitte; Morrison, Margaret, eds. (2015). Proč je více různých filozofických problémů ve fyzice kondenzovaných látek a komplexních systémech. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag. ISBN  978-3-662-43911-1. Citováno 8. ledna 2016.
  31. ^ Lee, Eric H .; Hsin, Jen; Sotomayor, Marcos; Comellas, Gemma; Schulten, Klaus (říjen 2009). „Objev pomocí výpočetního mikroskopu“. Struktura. 17 (10): 1295–1306. doi:10.1016 / j.str.2009.09.001. PMC  2927212. PMID  19836330.
  32. ^ Le, Ly; Lee, Eric H .; Hardy, David J .; Truong, Thanh N .; Schulten, Klaus; Amaro, Rommie E. (23. září 2010). „Simulace molekulární dynamiky naznačují, že elektrostatický trychtýř směruje vazbu tamiflu na neuraminidázy chřipky N1“. PLOS výpočetní biologie. 6 (9): e1000939. Bibcode:2010PLSCB ... 6E0939L. doi:10.1371 / journal.pcbi.1000939. PMC  2944783. PMID  20885781.
  33. ^ Zhao, G; Perilla, JR; Yufenyuy, EL; Meng, X; Chen, B; Ning, J; Ahn, J; Gronenborn, AM; Schulten, K; Aiken, C; Zhang, P (30. května 2013). „Zralá struktura kapsidy HIV-1 kryoelektronovou mikroskopií a molekulární dynamikou všech atomů“. Příroda. 497 (7451): 643–6. Bibcode:2013Natur.497..643Z. doi:10.1038 / příroda12162. PMC  3729984. PMID  23719463. Shrnutí ležel.
  34. ^ Davies, Kevin (29. října 2012). „Tennessee Titan: Oak Ridge, Cray, NVIDIA vytvoří nový superpočítač otevřené vědy“. Svět bio-IT. Citováno 11. ledna 2016.
  35. ^ „Cena biofyzikální společnosti“. Biofyzikální společnost. Citováno 9. ledna 2016.
  36. ^ „Společenstvo APS“. APS Fyzika. Oddělení biologické fyziky. Citováno 9. ledna 2016.
  37. ^ „Schulten Honored with Distinguished Service Award“. Beckman Institute. 3. prosince 2012. Citováno 9. ledna 2016.
  38. ^ „Národní lektor BPS Klause Schultena 2015“. Centrum pro fyziku živých buněk. Citováno 9. ledna 2016.