Während Sie diese Zeilen lesen, arbeiten Millionen von Computern im Namen der Wissenschaft an komplexen Problemen. Das wachsende Internetphänomen "Distributed Computing" (zu deutsch: "Verteiltes Rechnen") findet in einer breiten Palette moderner Wissenschaften Verwendung - von der Suche nach außerirdischer Intelligenz bis hin zur Entwicklung pharmazeutischer Medikamenten.

Jetzt hat zum ersten Mal ein Distributed-Computing-Experiment erste signifikante Ergebnisse geliefert, die in einer renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht wurden. In der Online-Ausgabe des Magazins "Nature" beschreiben die Stanford-University-Wissenschaftler Christopher D. Snow und Vijay S. Pande, wie sie mit Hilfe von 30.000 Personalcomputern erfolgreich ein Teil des komplexen Proteinfaltungsprozesses simuliert haben.

Genetisch bedingten Krankheiten auf der Spur

Jedes Proteinmolekül besteht aus einer Kette von Aminosäuren, die eine spezifische dreidimensionale Form annehmen müssen, um korrekt zu funktionieren.

"Der Prozess der Proteinfaltung bleibt ein Geheimnis", sagt Pande, Dozent für Chemie und molekulare Strukturbiologie. Wenn die Proteinfaltung misslingt, verklumpen die Eiweiße miteinander und formen Aggregate, wie sie bei Patienten mit Alzheimer, Parkinson und anderen Krankheiten beobachtet werden."

Wie Proteine sich zu ihrer Idealform falten, ist eine Frage, die Wissenschaftler seit Dekaden beschäftigt hat. Um das Problem zu lösen, mussten sich Forscher eine Computersimulation zur Hilfe ziehen - ein Prozess, der eine enorme Menge an Rechenleistung erfordert.

Einer der Gründe, warum die Proteinfaltung so schwierig zu simulieren ist, dass sie erstaunlich schnell vonstatten geht", erklärt Pande. Die Faltzeit der Proteine liegt im Mikrosekundenbereich (ein Millionstel einer Sekunde). Es dauert einen ganzen Tag, nur um eine Nanosekunde (ein Milliardstel einer Sekunde) mit einem durchschnittlichen Computer zu berechnen, geschweige denn den ganzen Faltprozess zu simulieren.

Die Simulation der Proteinfaltung wird häufig mit dem Heiligen Gral der Bioinformatik gleichgesetzt, fügt er hinzu. Viele Krankheiten, die sich auf Probleme im Bereich der Proteine zurückführen lassen, könnten geheilt werden. "Das ist ein Bereich, der von scharfer Konkurrenz wie etwa dem IBM's Schwergewichtler Blue Gene [1] heiß umkämpft wird."

Folding@home

Vor zwei Jahren realisierte Pande das Projekt Folding@home, das sich dem Problem der Proteinfaltung widmen sollte. Bisher registrierten sich rund 200.000 PC-Nutzer, um ihre Rechner der Wissenschaft zur Verfügung zu stellen. Das Stanford-Projekt nutzt wie SETI@home oder ähnliche Projekte ungenutzte Rechenleistung von Privatcomputern. Wenn diese nicht gebraucht werden - etwa während der Pausen oder beim Lesen dieses Textes - führt das Programm Berechnungen durch und versendet die Ergebnisse zurück an den Server, sobald die Internetverbindung aufgebaut ist.

Für die Nature-Studie wählten Pande und Snow, ein graduierter Student der Biophysik, eine bestimmte Anzahl teilnehmender PC's aus, um die Faltungsdynamik zweier durch Mutation veränderter Formen eines winzigen Proteins namens BBA5 zu untersuchen. Jedem Computer wurde ein spezifisches Simulationsmuster zugewiesen, das auf die Geschwindigkeit des jeweiligen Rechners zugeschnitten war.

Mit 30.000 Computern konnten Pande und Snow 32.500 Simulationen der Proteinfaltung ausführen, was einer Gesamtzeit der Proteinfaltdauer von 700 Mikrosekunden entsprach. Diese Simulationen testeten die Faltungsrate des Zielproteins in einer 5-, 10- und 20-Nanosekunden Zeitskala. Die Wissenschaftler konnten nun die gewonnenen Daten dazu verwenden, die Faltungsgeschwindigkeit und die Verlaufskurve eines "Durchschnittsmoleküls" vorherzusagen.

Experimentelle Überprüfung

Um die Vorhersagen zu bestätigen, bat das Stanford-Team Wissenschaftler an der Illinois University ein "Laser Temperature-Jump Experiment" durchzuführen. Mit dieser Technik wird ein entfaltetes Protein mit einem Laserstrahl gepulst, der das Molekül gerade genug erwärmt, um es zurück in seinen Ausgangszustand zu versetzen. Eine fluoreszierende Aminosäure wird in das Molekül eingebettet, die im Verlauf der Proteinfaltung immer schwächer wird. Die Forscher nutzen die Veränderungen in der Fluoreszenz, um den Faltungsprozess zu messen.

Die Ergebnisse des Laserexperiments befinden sich in "exzellenter Übereinstimmung" mit den Folding@home-Vorhersagen, stellte Pande und seine Kollegen fest. Nach der Vorhersage der Computersimulation würde sich das Zielprotein in 6 Mikrosekunden falten, während die Labormessungen eine Faltzeit von 7,5 Mikrosekunden ergaben.

"Diese Experimente stellen einen großen Erfolg für das Verteilte Rechnen dar", sagte Pande. Den Ablaufprozess der Proteinfaltung zu verstehen hat zur Folge, der Heilung einer Reihe von Krankheiten einen Schritt näher gekommen zu sein."


[1] Blue Gene ist ein 100-Millionen-Dollar teueres Supercomputer-Projekt, das in Zusammenarbeit von IBM und dem amerikanischen Energieministerium voraussichtlich 2005 fertig gestellt wird. Der neue Superrechner soll in seinem Inneren eine Million Prozessoren beherbergen, von denen jeweils 32 auf einem Chip untergebracht werden können. Der König unter den heutigen Supercomputern soll alles dagewesene weit in Schatten stellen mit einer Billiarde (1015) Gleitkomma-Operationen pro Sekunde (1.000 Teraflops oder ein Petaflop). ASCI White schafft "nur" 12 Billionen (12*1012) Kalkulationen pro Sekunde. Die Rechenleistung von Blue Gene wäre somit achtzig mal höher als die des heutigen leistungsstärksten Supercomputers.

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