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VolkswagenStiftung bewilligt rund 3,3 Millionen Euro für neun Projekte in ihrer Initiative zur Modellierung und Simulation komplexer Systeme
Prägnante Bilder von Körperzellen, Molekülen und anderen winzigen Bausteinen in unserem Innersten sind heute eine Selbstverständlichkeit. Und dennoch sind viele biologische Prozesse nicht vollständig verstanden oder gar vorhersagbar. Wie baut sich beispielsweise die Hülle eines Viruspartikels exakt zusammen, wie funktionieren einzelne Enzyme, und wie kann ein Bakterium das Sonnenlicht in chemische Energie umsetzen? Um diese und andere komplexe Vorgänge genau zu verstehen und vielleicht zu nutzen im Sinne einer Bio-Nanotechnologie, setzen Wissenschaftler Computer ein. Mit ihnen lassen sich Prozesse nachahmen und abbilden. Doch gerade wenn es um molekulares Geschehen geht, stoßen auch die Methoden der Modellierung und Simulation an ihre Grenzen: Sie sind entweder nicht genau genug, oder sie benötigen zu lange Rechnerzeiten.
Neue konzeptionelle Ansätze zur Modellierung und Simulation komplexer Systeme werden folglich gesucht, und die VolkswagenStiftung unterstützt diese Suche seit dem Jahr 2003 im Rahmen einer Ausschreibung zur "Computersimulation molekularer und zellulärer Biosysteme sowie komplexer weicher Materie". Bewilligt wurden nun rund 3,3 Millionen Euro für neun Projekte, darunter:
1. 319.800 Euro für das Vorhaben "Assembly of viral capsids - a multiscale simulation study" von Dr. Christine Peter vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz, und Professor Dr. Markus Deserno vom Department of Physics der Carnegie Mellon University in Pittsburgh, USA.
2. 200.000 Euro für das Vorhaben "Light-induced processes in biological systems: from first principles to rational protein design" von Dr. Gerrit Groenhof vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen.
3. 428.600 Euro für das Vorhaben "Swimming of bacteria at low Reynolds numbers" von Professor Dr. Gerhard Gompper und Professor Dr. Roland Winkler vom Institut für Festkörperforschung,Theorie der weichen Materie und Biophysik am Forschungszentrum Jülich und Professor Dr. Holger Stark vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität Berlin.
Wir möchten Ihnen die drei Projekte auf den Seiten 2 und 3 dieser Pressemitteilung beispielhaft näher vorstellen; eine Übersicht aller bewilligten Vorhaben finden Sie dann am Ende der Pressemitteilung.
Zu 1: Viren: Krankheitserreger und Hoffnungsträger?
Viren gehören zu den einfachsten Organismen, die es in der Natur gibt, und zu ihnen zählen die am meisten gefürchteten Krankheitserreger - denkt man etwa an AIDS, SARS oder auch an Grippe. Bestehend aus einem kompakten Genom und einer Schutzhülle, schleusen sich Viren in fremde Zellen ein und nutzen deren Stoffwechsel äußerst effizient zur eigenen Vermehrung. Diese Prozesse sind für Wissenschaftler von großem Interesse, hofft man doch, sie für einen guten Zweck einsetzen zu können: als Vehikel für Medikamente beispielsweise gegen Krebs oder in der Gentherapie. Die wichtige Schutzhülle der Viren ist meist ein hochsymmetrisches Protein-Kapsid, das sich spontan aus vielen Kopien identischer Proteine bildet. Die grundlegenden Prinzipien dieses Selbstaggregations-Prozesses - beispielsweise die Symmetrie - sind schon gut verstanden. Ein Kernproblem ist aber nach wie vor, dass wichtige nicht-universelle Kapsid-Eigenschaften - wie die mechanische Stabilität oder die Aggregationskinetik - von Details der lokalen Protein-Protein-Wechsel-wirkungen abhängen.
Atomistische Modelle - bei denen die Bewegungen aller Atome berechnet werden - berücksichtigen diese lokalen Wechselwirkungen, sind aber auf zu kleine Zeit- und Längenskalen beschränkt, während vergröberte Modelle zwar das erforderliche Zeitfenster erreichen, aber zu ungenau sind. Dieses Dilemma wollen Dr. Christine Peter vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz und Professor Dr. Markus Deserno von der University in Pittsburgh, USA, nun gemeinsam lösen. Ihr Ziel ist es, ein aminosäurespezifisches vergröbertes Modell aufzustellen und dann dessen Effizienz und chemische Spezifität zu optimieren. Mit ihren Simulationsmodellen wollen die Forscher untersuchen, wie nicht-universelle Kapsid-Eigenschaften aus Besonderheiten der zugrunde liegenden Proteine resultieren und wie das Virusgenom dieses Wechselspiel beeinflusst. Die VolkswagenStiftung fördert das Vorhaben mit rund 320.000 Euro.
Kontakt:
Max-Planck-Institut für Polymerforschung Mainz
Dr. Christine Peter
Telefon: 06131 379267
E-Mail: peter@mpip-mainz.mpg.de
Zu 2: Photosynthese: von der Natur lernen
Die Photosynthese in Pflanzen und Bakterien stellt eine wertvolle Schablone für biotechnologische Anwendungen dar. Um diese Prozesse, bei denen das Licht der Sonne hocheffizient als Energiequelle genutzt wird, nachahmen zu können, müssen sie jedoch zunächst vollständig in ihrer molekularen Dynamik verstanden werden. Dies ist Ziel des Vorhabens von Dr. Gerrit Groenhof vom Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen, das er mit Hilfe von sogenannten Molekulardynamik-Simulationen erreichen will. Dabei werden die Bewegungen aller am Prozess beteiligten Atome, deren Wechselwirkungen und Energiezustände berechnet und im Computer simuliert.
Als Photorezeptor für die Simulation von angeregten Zuständen dient Dr. Gerrit Groenhof das bakterielle "Photoactive Yellow Protein": Zunächst will er die zugrunde liegenden Prozesse dieses Proteins modellieren. Im Anschluss möchte er es dann verändern, um schließlich in Computersimulationen zu testen, wie der photochemische Prozess nach einer solchen Mutation abläuft. Anschließend sollen die besten Kandidaten - Photorezeptoren, die möglicherweise technisch genutzt werden können - von Kooperationspartnern hergestellt und experimentell charakterisiert werden. Damit geht das Vorhaben weit über eine Computersimulation hinaus in Richtung Protein-Design und nimmt einen wichtigen Schritt hin zur Bio-Nanotechnologie. Die Stiftung fördert das Vorhaben mit 200.000 Euro.
Kontakt:
Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie Göttingen
Dr. Gerrit Groenhof
Telefon: 0551 2012321
E-Mail: ggroenh@gwdg.de
Zu 3: Bakterien: gute Schwimmer durch ausgeklügelten Propellerantrieb
Die Fortbewegung von Mikroorganismen ist komplex und nicht ganz leicht zu verstehen. Escherichia coli beispielsweise oder kurz E. coli - weit verbreitetes und zugleich sehr gut untersuchtes Darmbakterium - verfügt über ein Bündel helixförmiger Flagellen oder Geißeln, die von einem Motor in Drehung versetzt werden. Ähnlich einem Propeller, üben sie so einen Schub aus. Dabei folgt der Antrieb zwei "Programmen": Drehen sich alle Helices entgegen dem Uhrzeigersinn, bilden sie ein geschlossenes Bündel und das Bakterium schwimmt vorwärts. Alle paar Sekunden aber ändert eines der Filamente seine Drehrichtung; es schert aus und leitet so in Form einer Taumelbewegung eine Änderung der Schwimmrichtung ein. Diese dynamische Schwimmbewegung im Detail zu beschreiben und zu simulieren, ist Ziel des Vorhabens der Professoren Dr. Gerhard Gompper und Dr. Roland Winkler vom Forschungszentrum Jülich und von Dr. Holger Stark von der Technischen Universität Berlin.
Die Wissenschaftler wollen zunächst ein elastisches Modell für eine Bakteriengeißel entwickeln. Zur Simulation der Flüssigkeit ziehen sie zwei Methoden heran: die sogenannte Stokessche Hydrodynamik und die Multipartikel-Kollisionsdynamik. Beide Verfahren sollen im Zuge ihres Vorhabens angepasst und weiterentwickelt werden. Darüber hinaus werden die Forscher den Einfluss von Wänden und Hindernissen auf die bakterielle Fortbewegung studieren. Um die komplexe Zusammensetzung biologischer Flüssigkeiten zu erfassen, wollen sie ein viskoelastisches Modell entwickeln und Auswirkungen der Zähigkeit auf die Bakterienbewegung untersuchen. Die Weiterentwicklung im Bereich der Simulationsmethoden, so erwartet das Forscherteam aus Jülich und Berlin, könnte für eine Reihe von Experimenten im biologischen Bereich hilfreich sein. Das Vorhaben wird von der VolkswagenStiftung mit 428.600 Euro gefördert.
Kontakte:
Forschungszentrum Jülich
Prof. Dr. Gerhard Gompper
Telefon: 02461 61 4012
E-Mail: g.gompper@fz-juelich.de
Prof. Dr. Roland Winkler
Telefon: 02461 614220
E-Mail: r.winkler@fz-juelich.de
Technische Universität Berlin
Institut für Theoretische Physik
Dr. Holger Stark
Telefon: 030 314 29623
E-Mail: Holger.Stark@tu-berlin.de
Des Weiteren wurden bewilligt:
4. 481.000 Euro für das Vorhaben "Multiscale hybrid modeling of biomembranes" von Professorin Dr. Friederike Schmid von der Fakultät für Physik der Universität Bielefeld, Professor Dr. Alexander Böker vom Deutschen Wollforschungsinstitut (DWI) an der RWTH Aachen e.V., Dr. Andrei V. Zvelindovsky vom Department of Physics, Astronomy & Mathematics von der University of Lancashire, Großbritannien, und Dr. Agur Sevink von der Leiden University, Niederlande;
Kontakte:
Universität Bielefeld
Prof. Dr. Friederike Schmid
E-Mail: schmid@physik.uni-bielefeld.de
DWI an der RWTH Aachen
Prof. Dr. Alexander Böker
E-Mail: boeker@dwi.rwth-aachen.de
5. 204.000 Euro für das Vorhaben "Linear-scaling QM/MM approaches for the simulation of dynamic effects in complex biomolecular systems " von Professor Dr. Christian Ochsenfeld vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen;
Kontakt:
Universität Tübingen
Prof. Dr. Christian Ochsenfeld
E-Mail: christian.ochsenfeld@uni-tuebingen.de
6. 447.000 Euro für das Vorhaben "Multiscale simulation of ion transport through biological and synthetic channels" unter der Federführung von Professor Dr. Martin Burger vom Institut für Numerische und Angewandte Mathematik der Universität Münster, mit Professor Dr. Ernst-Walter Knapp vom Institut für Chemie und Biochemie der Freien Universität Berlin, Professor Dr. Joachim Schöberl vom Center for Computational Engineering Science (CCES) der RWTH Aachen und Dr. Christina Trautmann vom Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt.
Kontakt:
Universität Münster
Prof. Dr. Martin Burger
E-Mail: martin.burger@uni-muenster.de
7. 412.300 Euro für die Weiterführung des Vorhabens "Rate theory for driven complex biosystems" von Professor Dr. Peter Hänggi vom Institut für Physik der Universität Augsburg und Professor Dr. Lutz Schimansky-Geier vom Institut für Physik der Humboldt-Universität Berlin;
Kontakte:
Universität Augsburg
Prof. Dr. Peter Hänggi
E-Mail: hanggi@physik.uni-augsburg.de
Humboldt-Universität Berlin
Prof. Dr. Lutz Schimansky-Geier
E-Mail: alsg@physik.hu-berlin.de
8. 429.000 Euro für die Weiterführung des Vorhabens "QM/MM methods for biomolecular simulations" von Professor Dr. Bernd Engels vom Institut für Organische Chemie der Universität Würzburg und Professor Dr. Walter Thiel vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr;
Kontakte:
Universität Würzburg
Prof. Dr. Bernd Engels
E-Mail: bernd@chemie.uni-wuerzburg.de
MPI für Kohlenforschung
Prof. Dr. Walter Thiel
E-Mail: thiel@mpi-muelheim.mpg.de
9. 411.900 Euro für die Weiterführung des Vorhabens "Simulation methods for electrostatic and hydrodynamic interactions in complex systems" von Professorin Dr. Friederike Schmid von der Fakultät für Physik der Universität Bielefeld, Professor Dr. Burkhard Dünweg vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz und Professor Dr. Christian Holm vom Institut für Computerphysik der Universität Stuttgart.
Kontakte:
Universität Bielefeld
Prof. Dr. Friederike Schmid
E-Mail: schmid@Physik.uni-bielefeld.de
MPI für Polymerforschung Mainz
Prof. Dr. Burkhard Dünweg
E-Mail: duenweg@mpip-mainz.mpg.de
Universität Stuttgart
Prof. Dr. Christian Holm
E-Mail: C.holm@fias.uni-frankfurt.de
Kontakte VolkswagenStiftung
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Dr. Christian Jung
Telefon: 0511 8381 - 380
E-Mail: jung@volkswagenstiftung.de
Förderinitiative
Dr. Ulrike Bischler
Telefon: 0511 8381 - 350
E-Mail: bischler@volkswagenstiftung.de
Der Text der Presseinformation steht im Internet zur Verfügung unter http://www.volkswagenstiftung.de/service/presse.html?datum=20081212
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Biologie, Chemie, Mathematik, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungs- / Wissenstransfer, Forschungsprojekte
Deutsch
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