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10.04.2018

Wissenschaftler der Neese-Gruppe an Bau eines „Computer-Mikroskops“ zur Beobachtung atomarer Strukturen beteiligt

Wissenschaftler der Neese-Gruppe an Bau eines „Computer-Mikroskops“ zur Beobachtung atomarer Strukturen beteiligt

Atomare und subatomare Kräfte bestimmen molekulare Wechselwirkungen, die mit konventionellen Analysemethoden nicht mehr zu betrachten sind und quantenchemisch berechnet werden müssen. Forscher haben nun durch eine Kombination von Berechnungsansätzen ein „Computer-Mikroskop“ entwickelt, das die Kräfte simuliert und einen Einblick in Wechselwirkungen gibt, die Moleküle antreibt.

Die dabei zum Einsatz kommende Methode mit dem Namen „QM/MM“ kombiniert Konzepte aus der Quantenmechanik und der klassischen Physik. Die Methode wurde maßgeblich am Mülheimer Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in der Abteilung des kürzlich emeritierten Direktors Walter Thiel entwickelt. Mit ihrem neuen Werkzeug möchte das Team der Forscher in Illinois und Mülheim die Chemie des Lebens besser verstehen und große molekulare Systeme modellieren, um so neue pharmazeutische und industrielle Wirkstoffe zu entwickeln.

Beteiligt waren an der Kollaboration der kürzlich verstorbene weltberühmte Forscher Klaus Schulten, seine  Ehefrau Zaida Luthey-Schulten (beide von University of Illinois) sowie die Gruppe von Frank Neese vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung. Frank Neese hat die Nachfolge von Walter Thiel übernommen und leitet die Abteilung für Molekulare Theorie und Spektroskopie. Die Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut lieferten dabei mittels des in Mülheim entwickelten ORCA Programms die quantenmechanische Expertise, welche mit dem Welt führenden Molekulardynamik Programm NAMD kombiniert wurde.

Die Zusammenführung der Methoden ermöglicht die Simulation von Hundert Millionen einzelner Atome und zoomt bis auf den subatomaren Bereich, wo die elektronischen Wechselwirkungen erfasst werden. Als Beispiel simulierten die Forscher das chemische Verhalten von Transfer-RNAs, Ribonukleinsäure-Molekülen, die eine Schlüsselrolle bei der Umsetzung genetischer Informationen in Proteine spielen.

Die Funktionsweise des neuen „Computer-Mikroskops“ wird in der Zeitschrift „Nature Methods“ in dem Aufsatz „NAMD goes quantum: an integrative suite for hybrid simulations“ beschrieben.

Mehr Informationen zu dem Projekt finden Sie auch auf der Webseite der University of Illinois.

Illustration: Source: Rafael Bernardi, Zan Luthey-Schulten and Marcelo Melo, University of Illinois. Visualization of the process by which the amino acid glutamate (Glu) is attached to a specific region of its transfer RNA (tRNA).