Jump to content

Клаус Шультен

Клаус Шультен
Рожденный ( 1947-01-12 ) 12 января 1947 г.
Умер 31 октября 2016 г. (31 октября 2016 г.) (69 лет)
Альма-матер Гарвардский университет
Известный Молекулярная динамика , Фотосинтез , Высокопроизводительные вычисления , Молекулярная графика
Супруг Зайда Люти-Шультен
Награды Национальный лектор Биофизического общества , лауреат премии Сидни Фернбаха
Научная карьера
Поля Физика , Химия , Биофизика , Вычислительная биология
Учреждения Университет Иллинойса в Урбана Шампейн
Докторантура Мартин Карплюс
Докторанты
Веб-сайт http://www.ks.uiuc.edu/~kschulte
Внешние видео
значок видео «Клаус Шультен, Компьютерный микроскоп» , TEDxUIUC
значок видео «Интервью Клауса Шультена, национального лектора , 2015 г. Биофизического общества

Клаус Шультен (12 января 1947 — 31 октября 2016) — немецко-американский вычислительный биофизик и профессор физики Суонлунда в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн . [ 3 ] Шультен использовал суперкомпьютерные методы для применения теоретической физики в области биомедицины и биоинженерии, а также для динамического моделирования живых систем. [ 4 ] Его математические, теоретические и технологические инновации привели к ключевым открытиям о движении биологических клеток, сенсорных процессах зрения, навигации животных, сборе световой энергии при фотосинтезе и обучении в нейронных сетях. [ 5 ]

Шультен определил цель наук о жизни как характеристику биологических систем от атомного до клеточного уровня. Он использовал петамасштабные компьютеры и планировал использовать экса-компьютеры для моделирования биохимических процессов атомного масштаба. Его работа сделала возможным динамическое моделирование деятельности тысяч белков, работающих вместе на макромолекулярном уровне. Его исследовательская группа разработала и распространила программное обеспечение для вычислительной структурной биологии , с помощью которого Шультен сделал ряд значительных открытий. молекулярной динамики По оценкам, пакет NAMD и программное обеспечение для визуализации VMD используются как минимум 300 000 исследователей по всему миру. [ 4 ] Шультен умер в 2016 году от болезни. [ 6 ]

Образование

[ редактировать ]

Шультен получил диплом в Мюнстерского университета 1969 году и докторскую степень по химической физике Гарвардского университета в 1974 году под руководством Мартина Карплюса . В Гарварде Шультен изучал зрение и то, как биомолекулы реагируют на фотовозбуждение . [ 7 ] его интересовало изучение ретиналя , полиена и хромофора опсинов Особенно . Шультен смог дать теоретическое объяснение экспериментальным наблюдениям «оптически запрещенного» состояния, которое не соответствовало предсказанным закономерностям электронного возбуждения в полиенах. Шультен разделил электроны на ковалентные и нековалентные состояния и определил, что электроны, действующие скоординировано (ковалентно), потребляют меньше энергии, чем независимые (нековалентные). [ 8 ] [ 9 ]

Карьера и исследования

[ редактировать ]

Институт биофизической химии Макса Планка

[ редактировать ]

После окончания учебы 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 его первых проектов было объяснение продукта химической реакции, называемого «быстрым триплетом », возбужденной молекулы с парой электронов с параллельными спинами. Шультен обнаружил, что магнитное поле может влиять на химическую реакцию, физический эффект, который ранее не был продемонстрирован. Эффект удалось продемонстрировать, заставив реакцию протекать с магнитным полем и без него. Шультена особенно интересовали последствия эффекта магнитного поля для биологических систем, таких как перенос электронов при фотосинтезе. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

Шультен также начал исследовать возможность того, что быстрые тройки могут объяснить работу сенсоров компаса у биологических видов, таких как мигрирующие птицы. То, что европейская малиновка использовала некоторую форму магниторецепции, было продемонстрировано Вольфгангом Вильчко и Фрицем Меркелем в 1965 году и далее изучено Вольфгангом и Розвитой Вильчко . [ 12 ] [ 13 ] Шультен предположил, что квантовая запутанность системы радикальных пар может лежать в основе биохимического компаса. [ 14 ] модель возможного возбуждения криптохромных белков в фоторецепторах сетчатки глаза Шультен и другие с тех пор расширили эту раннюю работу, разработав . [ 13 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

Технический университет Мюнхена

[ редактировать ]

В 1980 году Шультен стал профессором теоретической физики университета Мюнхенского технического . В 1988 году Хартмут Мишель , Иоганн Дайзенхофер и Роберт Хубер получили Нобелевскую премию по химии за определение трёхмерной 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 попытка моделирования фотосинтетического реакционного центра потребует параллельных вычислительных мощностей. Он использовал свои исследовательские гранты для поддержки мюнхенских студентов Гельмута Грубмюллера и Гельмута Хеллера в создании специального параллельного компьютера, оптимизированного для моделирования молекулярной динамики. Они разработали параллельный компьютер T60, содержащий десять плат с шестью транспьютерами на каждой, всего 60 узлов. Т60 был достаточно маленьким, чтобы Шультен смог пронести его через таможню в рюкзаке, когда переехал в Соединенные Штаты, чтобы поступить в Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн. Программное обеспечение для параллельных вычислений T60, которое студенты назвали EGO, было написано на OCCAM II . [ 19 ]

Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн

[ редактировать ]

В 1988 году Шультен перешёл в Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн (UIUC), где в 1989 году основал группу теоретической и вычислительной биофизики в Институте передовых наук и технологий Бекмана . [ 3 ] [ 20 ]

Ранняя разработка NAMD в UIUC основывалась на работе студентов Шультена в Мюнхене по созданию специального параллельного компьютера, оптимизированного для моделирования молекулярной динамики. Первое моделирование на T60 смоделировало 27 000 атомов мембранной структуры, и на его выполнение ушло двадцать месяцев. Результаты моделирования совпали с экспериментальными результатами и в конечном итоге были опубликованы в Журнале физической химии . [ 19 ] [ 21 ]

Работа над T60 и Connection Machine убедила Шультена в необходимости увеличения вычислительной мощности и опыта. Шультен сотрудничал с учеными-компьютерщиками Робертом Скилом и Лакшмикантом В. Кале («Санджай» Кале) по пятилетнему гранту Национального института здравоохранения, и их студенты начали писать код молекулярной динамики на новом языке C++ . [ 21 ] [ 22 ] С тех пор исследовательская группа Шультена стала хорошо известна благодаря разработке программного обеспечения для вычислительной структурной биологии , включая молекулярной динамики пакет NAMD и программное обеспечение для визуализации VMD . Пакеты можно бесплатно использовать для некоммерческих исследований, и ими пользуются около 300 000 исследователей по всему миру. [ 4 ] [ 23 ]

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

Со временем Шультен нацелился на биологические структуры все большего размера и сложности, используя все более крупные компьютеры. К 2007 году он изучал молекулярное моделирование с использованием графических процессоров (GPU). [ 24 ] Проверка моделей на основе экспериментальных результатов является неотъемлемой частью разработки, например, с использованием молекулярной динамики в сочетании с криоэлектронной микроскопией и рентгеновской кристаллографией . изучать строение крупных макромолекулярных комплексов . [ 25 ]

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

В 2006 году группа Шультена смоделировала вирус табачной мозаики-сателлита , имитируя фемтосекундные взаимодействия примерно одного миллиона атомов вируса и окружающей капли соленой воды в течение 50 миллиардных долей секунды. Впервые такая полная модель была создана, для чего потребовались ресурсы Национального центра суперкомпьютерных приложений в Урбане. Моделирование дало новое представление о деятельности вируса. Одним из открытий стало то, что вирус, который на неподвижных изображениях выглядит симметричным, на самом деле пульсирует асимметрично. Другая заключалась 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 уже должен присутствовать, прежде чем вирус сможет построить свою оболочку при размножении. [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] Такие исследования указывают на возможные вмешательства, которые могут помочь контролировать вирус, а также дают возможность изучить возможные вмешательства in silico для прогнозирования эффективности. [ 30 ]

В обзоре 2009 года описана работа по моделированию и проверке симуляций таких белков, как тайтин , фибриноген , анкирин и кадгерин , с использованием «вычислительного микроскопа» группы. [ 31 ]

В 2010 году группа Шультена из Иллинойса и исследователи из Университета Юты опубликовали исследование, посвященное развитию лекарственной устойчивости к Тамифлю у H1N1pdm свиного гриппа и H5N1 птичьего гриппа вируса . Их моделирование показало, что устойчивость к лекарствам может возникнуть из-за нарушения процесса связывания из-за электростатического притяжения в заряженных путях нейраминидазы , а также из-за разрушения пентильной боковой группы Тамифлю. [ 19 ] [ 32 ]

В 2013 году группа Шультена опубликовала смоделированную структуру вируса иммунодефицита человека капсида , содержащую 64 миллиона атомов, одну из крупнейших известных моделей моделирования, созданную с использованием суперкомпьютера Blue Waters . [ 33 ]

По состоянию на 2015 год в крупнейших зарегистрированных симуляциях участвовало сто миллионов атомов. Команда Шультена смоделировала структуру и функцию пурпурной бактерии , хроматофора одного из простейших живых примеров фотосинтеза . Моделирование процессов, связанных с преобразованием солнечного света в химическую энергию, означало представление 100 миллионов атомов, 16 000 липидов и 101 белка — содержимого крошечной сферической 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 для компьютера Summit экса-масштаба, который, как ожидается, будет построен к 2018 году. [ 7 ]

Награды и членство

[ редактировать ]

Шультен был членом Биофизического общества (2012). [ 35 ] и Американского физического общества (1992). [ 36 ] Он получил премию Сидни Фернбаха (совместно с Лакшмикантом В. Кале) от Компьютерного общества IEEE в 2012 году. [ 5 ] Он получил Премию Биофизического общества за выдающиеся заслуги в 2013 году за «закладывание основы для реалистичного молекулярно-динамического моделирования биологических макромолекул во временных масштабах, соответствующих физиологической сфере, а также за обеспечение открытого доступа к методам и программному обеспечению». [ 3 ] [ 37 ] В 2015 году он был национальным лектором Биофизического общества, что стало высшей формой признания со стороны общества. [ 38 ]

  1. ^ Моссман, К. (30 июля 2008 г.). «Профиль Акселя Брунгера» . Труды Национальной академии наук . 105 (31): 10643–10645. Бибкод : 2008PNAS..10510643M . дои : 10.1073/pnas.0806286105 . ПМК   2504785 . ПМИД   18667701 .
  2. ^ «Клаус Шультен (некролог)» . Газета «Новости» . 4 ноября 2016 г. Проверено 4 ноября 2016 г.
  3. ^ Перейти обратно: а б с «Клаус Шультен» . Группа теоретической и вычислительной биофизики . Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн . Проверено 16 марта 2015 г.
  4. ^ Перейти обратно: а б с «Клаус Шультен рассказывает об эволюции вычислительной биофизики» . Научные вычисления . 14 марта 2014 года . Проверено 4 января 2016 г.
  5. ^ Перейти обратно: а б «Лакшмикант В. Кале и Клаус Шультен» . Компьютерное общество IEEE . Проверено 9 января 2016 г.
  6. ^ Макгоги, Стив; Рейли, Мейв (31 октября 2016 г.). «Умер лидер в области биофизики и компьютерного моделирования» . Новости Института Бекмана . Проверено 1 ноября 2016 г.
  7. ^ Перейти обратно: а б с д Догерти, Элизабет (23 октября 2015 г.). «Вычислительные клеточные часовые механизмы: Клаус Шультен» . Консорциум SBGrid . Президент и члены Гарвардского колледжа.
  8. ^ Шультен, Клаус; Омине, И.; Карплюс, Мартин (1976). «Корреляционные эффекты в спектрах полиенов» (PDF) . Дж. Хим. Физ . 64 (11): 4422–4441. Бибкод : 1976ЖЧФ..64.4422С . дои : 10.1063/1.432121 . Проверено 8 января 2016 г.
  9. ^ Перейти обратно: а б Поллак, Лиза. «Разгадка фотосинтеза шаг за шагом: четыре десятилетия исследований в области теоретической и вычислительной биофизики» . Группа теоретической и вычислительной биофизики . Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн . Проверено 8 января 2016 г.
  10. ^ Шультен, Клаус; Стаерк, Х.; Веллер, Альберт; Вернер, Ханс Иоахим; Никель, Б. (1976). «Зависимость геминатной рекомбинации ион-радикальных пар в полярных растворителях от магнитного поля». Журнал физической химии . NF101 (1–6): 371–390. дои : 10.1524/зпч.1976.101.1-6.371 . S2CID   101528528 .
  11. ^ Вернер, Ханс-Иоахим; Шультен, Клаус; Веллер, Альберт (1978). «Перенос электронов и спиновый обмен, способствующие зависимости от магнитного поля первичной фотохимической реакции бактериального фотосинтеза» (PDF) . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Биоэнергетика . 502 (2): 255–268. дои : 10.1016/0005-2728(78)90047-6 . ПМИД   306834 . Проверено 8 января 2016 г.
  12. ^ Вильчко В., Вильчко Р. (7 апреля 1972 г.). «Наука. 1972 Магнитный компас малиновок». Наука . 176 (4030): 62–4. Бибкод : 1972Sci...176...62W . дои : 10.1126/science.176.4030.62 . ПМИД   17784420 . S2CID   28791830 .
  13. ^ Перейти обратно: а б Макфадден, Джонджо; Аль-Халили, Джим (2015). Жизнь на грани: наступление эпохи квантовой биологии . Корона. стр. 171–179. ISBN  9780307986818 . Проверено 11 января 2016 г.
  14. ^ Шультен, Клаус; Свенберг, Чарльз Э.; Веллер, Альберт (1978). «Биомагнитный сенсорный механизм, основанный на модулированном магнитным полем когерентном движении спина электронов» . Журнал физической химии . НФ111: 1-5. дои : 10.1524/зпч.1978.111.1.001 . S2CID   124644286 . Проверено 11 января 2016 г.
  15. ^ «Криптохром и магнитное зондирование» . Группа теоретической и вычислительной биофизики . Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн . Проверено 11 января 2016 г.
  16. ^ Соловьев Илья А.; Хор, П.Дж.; Ритц, Торстен; Шультен, Клаус (2013). «10. Химический компас для навигации птиц» . В Мохсени, Масуд; Омар, Ясир; Энгель, Грегори С.; Пленио, Мартин Б. (ред.). Квантовые эффекты в биологии . Издательство Кембриджского университета. стр. 218–236. ISBN  978-1107010802 . Проверено 11 января 2016 г.
  17. ^ Кейм, Брэндон (23 июня 2009 г.). «Реверс-инжиниринг квантового компаса птиц» . Проводной . Проверено 11 января 2016 г.
  18. ^ Перейти обратно: а б Говинджи, Дж. Томас Битти; Гест, Х.; Аллен, Дж. Ф. (2005). Открытия в области фотосинтеза . Нидерланды: Спрингер. п. 417. ИСБН  978-1-4020-3323-0 . Проверено 8 января 2016 г.
  19. ^ Перейти обратно: а б с Поллак, Лиза (2012). «Глава 2: Формирование NAMD, история риска и вознаграждения: воспоминания Клауса Шультена» . В Шлике, Тамар (ред.). Инновации в биомолекулярном моделировании и симуляции . Кембридж: Королевская химическая компания. стр. 8–22. ISBN  978-1-84973-410-3 .
  20. ^ «Обзор — Группа компаний TCB» . Группа теоретической и вычислительной биофизики . Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн . Проверено 6 января 2016 г.
  21. ^ Перейти обратно: а б Хеллер, Гельмут; Шефер, Майкл; Шультен, Клаус (август 1993 г.). «Молекулярно-динамическое моделирование бислоя из 200 липидов в геле и жидкокристаллической фазе». Журнал физической химии . 97 (31): 8343–8360. дои : 10.1021/j100133a034 .
  22. ^ Кале, Лакшмикант В.; Бхателе, Абхинав (2013). Параллельные научные и инженерные приложения: подход Charm++ . Бока-Ратон: CRC Press. п. 62. ИСБН  9781466504127 . Проверено 9 января 2016 г.
  23. ^ Поллак, Лиза. «ВМД: Двадцать лет истории и инноваций» . Группа теоретической и вычислительной биофизики . Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн . Проверено 13 января 2016 г.
  24. ^ Стоун, Дж. Э.; Филлипс, Джей Си; Фреддолино, Польша; Харди, диджей; Трабуко, LG; Шультен, К. (декабрь 2007 г.). «Ускорение приложений молекулярного моделирования с помощью графических процессоров». Журнал вычислительной химии . 28 (16): 2618–40. CiteSeerX   10.1.1.466.3823 . дои : 10.1002/jcc.20829 . ПМИД   17894371 . S2CID   15313533 .
  25. ^ Трабуко, Леонардо Дж.; Вилла, Элизабет ; Шрайнер, Эдуард; Харрисон, Кристофер Б.; Шультен, Клаус (октябрь 2009 г.). «Гибкая установка молекулярной динамики: практическое руководство по сочетанию криоэлектронной микроскопии и рентгеновской кристаллографии» . Методы . 49 (2): 174–180. дои : 10.1016/j.ymeth.2009.04.005 . ПМЦ   2753685 . ПМИД   19398010 .
  26. ^ Кепке, Юрген; Ху, Сиче; Муенке, Корнелия; Шультен, Клаус; Мишель, Хартмут (май 1996 г.). «Кристаллическая структура светособирающего комплекса II (В800–850) Rhodospirillum molischianum» . Структура 4 (5): 581–597. дои : 10.1016/S0969-2126(96) 00063-9 ПМИД   8736556 .
  27. ^ Пирсон, Хелен (14 марта 2006 г.). «Суперкомпьютер создает вирус: масштабное моделирование фиксирует движение молекул» . Природа : news060313–4. дои : 10.1038/news060313-4 . S2CID   60910443 . Проверено 8 января 2016 г.
  28. ^ Фреддолино, Польша; Архипов А.С.; Ларсон, SB; Макферсон, А; Шультен, К. (март 2006 г.). «Молекулярно-динамическое моделирование полного спутникового вируса табачной мозаики» . Структура . 14 (3): 437–49. дои : 10.1016/j.str.2005.11.014 . ПМИД   16531228 .
  29. ^ Бадер, Дэвид А., изд. (2008). Петамасштабные вычисления: алгоритмы и приложения . Бока-Ратон: Чепмен и Холл/CRC. стр. 214–215. ISBN  978-1-58488-909-0 . Проверено 8 января 2016 г.
  30. ^ Фалькенбург, Бриджит; Моррисон, Маргарет, ред. (2015). Почему больше — это другое Философские вопросы физики конденсированного состояния и сложных систем . Берлин Гейдельберг: Springer-Verlag. ISBN  978-3-662-43911-1 . Проверено 8 января 2016 г.
  31. ^ Ли, Эрик Х.; Синь, Джен; Сотомайор, Маркос; Комеллас, Джемма; Шультен, Клаус (октябрь 2009 г.). «Открытие с помощью компьютерного микроскопа» . Структура . 17 (10): 1295–1306. doi : 10.1016/j.str.2009.09.001 . ПМЦ   2927212 . ПМИД   19836330 .
  32. ^ Ле, Ли; Ли, Эрик Х.; Харди, Дэвид Дж.; Труонг, Тхань Н.; Шультен, Клаус; Амаро, Ромми Э. (23 сентября 2010 г.). «Молекулярно-динамическое моделирование позволяет предположить, что электростатическая воронка направляет связывание Тамифлю с нейраминидазой N1 гриппа» . PLOS Вычислительная биология . 6 (9): e1000939. Бибкод : 2010PLSCB...6E0939L . дои : 10.1371/journal.pcbi.1000939 . ПМЦ   2944783 . ПМИД   20885781 .
  33. ^ Чжао, Г; Перилла-младший; Юфеньюй, Э.Л.; Мэн, X; Чен, Б; Нин, Дж; Ан, Дж; Гроненборн, AM; Шультен, К; Эйкен, К; Чжан П. (30 мая 2013 г.). «Структура зрелого капсида ВИЧ-1 по данным криоэлектронной микроскопии и полноатомной молекулярной динамики» . Природа . 497 (7451): 643–6. Бибкод : 2013Natur.497..643Z . дои : 10.1038/nature12162 . ПМЦ   3729984 . ПМИД   23719463 .
  34. ^ Дэвис, Кевин (29 октября 2012 г.). «Теннесси Титан: Ок-Ридж, Крей, NVIDIA создают новый суперкомпьютер для открытой науки» . Мир БиоИТ . Проверено 11 января 2016 г.
  35. ^ «Человек премии Биофизического общества» . Биофизическое общество . Проверено 9 января 2016 г.
  36. ^ «Содружество АПС» . АПС Физика . Отдел биологической физики . Проверено 9 января 2016 г.
  37. ^ «Шультен удостоен награды за выдающиеся заслуги» . Институт Бекмана . 3 декабря 2012 года . Проверено 9 января 2016 г.
  38. ^ «Клаус Шультен, национальный лектор BPS 2015» . Центр физики живых клеток . Архивировано из оригинала 1 мая 2021 года . Проверено 9 января 2016 г.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 4991628446493424b8b7911d957bc5e9__1701600000
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/49/e9/4991628446493424b8b7911d957bc5e9.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Klaus Schulten - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)