Jeder, der sich schon einmal eingeseift hat, kennt das Dilemma. Die gleichen Eigenschaften, die Tenside – die chemischen Verbindungen in Seifen, Shampoos und Reinigungsmitteln, die in Fette eindringen, Flecken auflösen und in der Dusche eine angenehme Schaumbildung erzeugen – so wirksam machen, können auch als Reinigungsmittel wirken. Wenn einige dieser Produkte in die Augen gelangen, können sie Juckreiz, Brennen und Tränen verursachen.
„Fette und Öle ähneln chemisch den Membranen im menschlichen Körper, daher kann es auch zu Reizungen der Zellmembranen kommen, wenn die Augen diesen Reinigungsmitteln versehentlich ausgesetzt werden“, sagte Dilnoza Amirkulova, Forschungswissenschaftlerin beim Konsumgütergiganten Procter & Gamble (P&G). „Wir müssen verstehen, welche Tenside in Reinigungsmitteln Augenreizungen verursachen können, um sicherzustellen, dass unsere Produkte sicher sind.“
Simulationen, die auf dem Summit-Supercomputer im Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums durchgeführt wurden, könnten dazu beitragen, diese Risiken zu beseitigen.
Die Oak Ridge Leadership Computing Facility – früher Sitz des ORNL Summit und damals einer der zehn schnellsten Supercomputer der Welt – stellt ihre erstklassigen Rechenressourcen regelmäßig Forschern aus Regierung, Wissenschaft und Industrie zur Verfügung, die sich mit den größten Rechenproblemen in der Wissenschaft auseinandersetzen . Jedes Jahr nutzen Forscher OLCF-Ressourcen, um Durchbrüche in Bereichen wie Aerodynamik, Biologie, Chemie, Seismologie, Ingenieurwesen, Energie und Materialwissenschaften zu erzielen.
Amirkulova und ein Team von P&G-Kollegen verwendeten das 200-Petaflop-System IBM AC922 Summit, um ein digitales Modell des Hornhautepithels, der primären äußeren Zellschicht, die das menschliche Auge bedeckt, zu erstellen und dieses Modell mit einer Reihe von Tensiden zu testen.
„Wir sind sehr stolz und zufrieden mit unseren zahlreichen Partnerschaften mit der Industrie“, sagte Bronson Messer, Wissenschaftsdirektor des OLCF. „Diese Kooperationen ermöglichen Fortschritte im wissenschaftlichen Verständnis mit Vorteilen, die Menschen überall in ihrem täglichen Leben sehen können.“
P&G, ein 82-Milliarden-Dollar-Fortune-100-Unternehmen, genießt weltweite Anerkennung für seine Shampoos, Oberflächenreiniger sowie Wasch- und Geschirrspülmittel. Zu den Kultmarken des Unternehmens gehören das Waschmittel Tide, das Shampoo Head & Shoulders, der Geschirrreiniger Cascade und der Allzweckreiniger Mr. Clean. Als weltweit größtes Unternehmen für verpackte Konsumgüter hat sich P&G mit seiner Initiative Ambition 2040 zu globalen Nachhaltigkeitszielen verpflichtet, die darauf abzielt, Plastik- und Papierverpackungen für alle Produkte zu reduzieren.
Die Studie zu Summit entstand aus dem Engagement des Unternehmens für Produktleistung, Sicherheit und Umweltverträglichkeit. Um seine Ambition 2040-Ziele zur Reduzierung von Verpackungsabfällen zu erreichen, musste P&G seine Flüssigreiniger konzentrieren, um möglichst viele oder mehr Wäschen in kleineren Verpackungen liefern zu können. Konzentrierte Reiniger bedeuten weniger Verpackung, weniger Spülzyklen, schnellere Ergebnisse, weniger Wasserverbrauch und einen geringeren CO2-Fußabdruck. P&G wollte außerdem sicherstellen, dass die konzentrierten Formeln den Sicherheitsstandards des Unternehmens entsprechen.
„Unser Ziel war es, besser zu verstehen, was Augenreizungen verursacht, und wie wir neue Tenside entwickeln können, die nicht reizen und dennoch effektiv reinigen“, sagte Amirkulova. „Bei P&G sind wir bestrebt, die Produktleistung zu liefern, die Verbraucher erwarten, und gleichzeitig die Sicherheitskriterien zu erfüllen.“
Ethische Richtlinien schlossen Tests an Menschen und Tieren aus, die ebenfalls teuer und zeitaufwändig gewesen wären. Das Team brauchte eine Möglichkeit, den ersten Kontakt zwischen den Reinigungsverbindungen und der Hornhautmembran detailliert und in jedem möglichen Winkel zu erfassen, beginnend mit der ersten Mikrosekunde, einem Millionstel einer Sekunde.
Aufgrund dieser Kriterien war die Simulation die vielversprechendste Option.
„Computerchemie ist ideal für solch kleine Maßstäbe“, sagte Amirkulova. „Diese Tenside, die wir testen, sind wirklich kleine chemische Systeme, die für das bloße Auge unsichtbar sind und etwa 30 × 30 Nanometer (ein Millionstel Millimeter) messen, und die Membranen, die wir untersuchen, sind etwa 20 Nanometer groß.“
„Aufgrund einiger experimenteller Einschränkungen wäre es schwierig, den Prozess experimentell zu visualisieren. Wir brauchten diese Details, um diese Mechanismen auf molekularer Ebene zu erfassen, waren uns aber nicht sicher, ob unsere internen Computerressourcen solche Berechnungen bewältigen könnten. Wir benötigte wesentlich mehr Rechenleistung, die nur eine Maschine wie Summit bieten konnte.“
Die Komplexität im Auge behalten
Das Team wandte sich an die Oak Ridge Leadership Computing Facility und erhielt eine Zeitzuteilung für Summit, die inzwischen stillgelegt wurde.
Die Rechenleistung von Summit ermöglichte dem Team die Nutzung PACKMOLein Softwarepaket zur Simulation der Molekulardynamik, um ein skalierbares Modell eines Liposoms zu erstellen – eines Beutels, der aus doppelten Schichten von Fettsäuren besteht und mit Wassermolekülen gefüllt ist –, das das Verhalten der Hornhautmembran nachahmt. Das Team nutzte dann GROMACSein weiteres Softwarepaket, um verschiedene Mengen an Tensiden gegen das Liposom zu testen und die Ergebnisse für die ersten drei Mikrosekunden des Kontakts zu beobachten.
Tenside in Shampoos und anderen Reinigungsmitteln, die das Auge reizen, zerstören die äußere Hornhautmembran und erzeugen mikroskopisch kleine Löcher, durch die Chemikalien in das darunter liegende Gewebe eindringen können. Die Simulationen auf Summit zeigten, dass eine Erhöhung der Konzentration der untersuchten Tenside nicht unbedingt zu einer erhöhten Schädigung der Membran führte, zumindest nicht bei Kontakt mit dem Liposom allein.
Eine erhöhte Konzentration führte stattdessen dazu, dass sich die Tensidmoleküle zu Mizellen zusammenballten – winzige Molekülklumpen, die von selbst zusammengehalten und von Wasser umgeben waren. Bestimmte Tenside neigten dazu, hydrophiler zu sein oder von Wasser angezogen zu werden und daher eher Mizellen zu bilden und weniger wahrscheinlich die Membran zu durchdringen. Andere neigten dazu, hydrophober oder wasserabweisender zu sein und daher eher die Membran zu zerstören und Reizungen zu verursachen.
„Der Gipfel war unglaublich“, sagte Amirkulova. „Wir hatten noch nie zuvor ein Liposom simuliert, noch nie die Herstellung von Löchern in einem Liposom. Wir haben nicht nur ein stabiles Liposom hergestellt, wir waren auch in der Lage, die Simulation im Maßstab durchzuführen und ein ganzes Liposom statt nur eines Teils davon zu modellieren.“ um zu beobachten, wie das Liposom durch äußere Kräfte zerstört wird.
Die Ergebnisse könnten auf Formeln für sanftere, weniger reizende Tenside hinweisen.
„Die Simulationen zeigten uns zum ersten Mal, dass wir die Tensidkonzentration möglicherweise verdoppeln können, ohne die Zerstörung der äußeren Augenmembran zu verdoppeln“, sagte Amirkulova. „Wir glauben, dass dies ein vielversprechender Weg für weitere Studien ist, während wir die nächste Generation von Tensiden entwickeln.“
Das P&G-Team plant, seine Ergebnisse bald zu veröffentlichen. Als nächste Schritte könnte die Erweiterung der Simulation durch die Hinzufügung von Proteinen und anderen Substanzen, die normalerweise im Auge vorkommen, zum Modell gehören. Amirkulova plant, die Erkenntnisse aus den Simulationen zu nutzen, um ein einfacheres digitales Tool zur Vorhersage von Liposomenstörungen und der daraus resultierenden Reizung zu entwickeln.