Leben ist Bewegung. Um also zu verstehen, wie lebende Organismen funktionieren, muss man die Bewegung und Reorganisation der Atome und Moleküle verstehen, aus denen sie bestehen. Der als „Molekulardynamik-Simulation“ bezeichnete Ansatz ermöglicht es Wissenschaftlern, mithilfe von Computerprogrammen die dynamische Bewegung aller Atome in einem molekularen System als Funktion der Zeit zu simulieren.
In einer neuen Zeitung inEPJ Historical Perspectives on Contemporary PhysicsDaniele Macuglia von der Peking University in Peking, China, Benoît Roux von der University of Chicago in Chicago, USA, und Giovanni Ciccotti von der University of Rome in Rom, Italien, erklären, wie der theoretische Chemiker Martin Karplus und sein Team die erste durchgeführt haben Molekulardynamik-Simulation eines großen biologischen Moleküls, eines Proteins, das die Biologie und die Naturwissenschaften im 20. und 21. Jahrhundert tiefgreifend beeinflusst.
Derzeit verwenden Forscher für maschinelles Lernen biomolekulare Simulationen, um ihre zeitabhängigen Bewegungen und die Funktion, die die Kräfte zwischen ihnen regelt, besser zu verstehen.
In den frühen 1970er Jahren begannen Physiker und physikalische Chemiker damit, Molekulardynamiksimulationen einzusetzen, um das Verhalten einfacher Substanzen wie Wasser und aus Edelgasen gebildete Flüssigkeiten zu untersuchen. Martin Karplus und sein Team haben diese Methode weiterentwickelt, indem sie sie erstmals auf ein großes biologisches Molekül – ein Protein – angewendet haben.
Proteine können als Miniaturmaschinen betrachtet werden, deren Funktion zum Teil daraus resultiert, wie sie sich im Laufe der Zeit in verschiedene Formen falten und verformen. Aufgrund ihrer Komplexität war die Simulation ihrer zeitlichen Veränderungen eine besondere Herausforderung.
Karplus veröffentlichte diesen Ansatz erstmals 1977 mit einer Arbeit, die die erste Molekulardynamik-Simulation eines Proteins zeigte. In jüngerer Zeit wurde der große Einfluss seines Beitrags zur genauen Modellierung chemischer Reaktionen durch die Verleihung des Nobelpreises für Chemie 2013 zusammen mit Arieh Warshel und Michael Levitt gewürdigt.
Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass der Artikel von Karplus aus dem Jahr 1977 die Tür öffnete, um eine Forschungslinie zu verfolgen, die ihn dazu brachte, rechnergestützte statistische Mechanik erfolgreich mit der Biochemie zu verschmelzen.
Mehr Informationen:
Daniele Macuglia et al, Die Entstehung von Proteindynamik-Simulationen: Wie computergestützte statistische Mechanik auf Biochemie traf, EPJ Historical Perspectives on Contemporary Physics (2022). DOI: 10.1140/epjh/s13129-022-00043-y