Клаус Шультен
Клаус Шультен | |
---|---|
Рожденный | |
Умер | 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 | |
---|---|
«Клаус Шультен, Компьютерный микроскоп» , TEDxUIUC | |
«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 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ «Клаус Шультен (некролог)» . Газета «Новости» . 4 ноября 2016 г. Проверено 4 ноября 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «Клаус Шультен» . Группа теоретической и вычислительной биофизики . Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн . Проверено 16 марта 2015 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «Клаус Шультен рассказывает об эволюции вычислительной биофизики» . Научные вычисления . 14 марта 2014 года . Проверено 4 января 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Лакшмикант В. Кале и Клаус Шультен» . Компьютерное общество IEEE . Проверено 9 января 2016 г.
- ^ Макгоги, Стив; Рейли, Мейв (31 октября 2016 г.). «Умер лидер в области биофизики и компьютерного моделирования» . Новости Института Бекмана . Проверено 1 ноября 2016 г.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ «Криптохром и магнитное зондирование» . Группа теоретической и вычислительной биофизики . Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн . Проверено 11 января 2016 г.
- ^ 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.
- ^ Кейм, Брэндон (23 июня 2009 г.). «Реверс-инжиниринг квантового компаса птиц» . Проводной . Проверено 11 января 2016 г.
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ «Обзор — Группа компаний TCB» . Группа теоретической и вычислительной биофизики . Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн . Проверено 6 января 2016 г.
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ Поллак, Лиза. «ВМД: Двадцать лет истории и инноваций» . Группа теоретической и вычислительной биофизики . Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн . Проверено 13 января 2016 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- Дайана Йейтс (29 мая 2013 г.). «Остроумие, упорство и суперкомпьютер позволили определить химическую структуру капсида ВИЧ» . Университет Иллинойса (пресс-релиз).
- ^ 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.
- ^ «Человек премии Биофизического общества» . Биофизическое общество . Проверено 9 января 2016 г.
- ^ «Содружество АПС» . АПС Физика . Отдел биологической физики . Проверено 9 января 2016 г.
- ^ «Шультен удостоен награды за выдающиеся заслуги» . Институт Бекмана . 3 декабря 2012 года . Проверено 9 января 2016 г.
- ^ «Клаус Шультен, национальный лектор BPS 2015» . Центр физики живых клеток . Архивировано из оригинала 1 мая 2021 года . Проверено 9 января 2016 г.