Theoretische und Computergestützte Biophysik

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...im Fachbereich „Theorie und Methodenentwicklung für atomistische Nicht-Gleichgewichts-Simulationen von komplexen Biomolekülen“ in der Arbeitsgruppe von Helmut Grubmüller mehr

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Praktisch alle Prozesse im Körper werden von hochspezialisierten Proteinen verrichtet und gesteuert. Beispiele sind Fotosynthese, Bewegung, Signalübertragung und Informationsverarbeitung, Transport, Sensorik und molekulare Erkennung. Moleküle, die für diese Prozesse verantwortlich sind, kann man als biochemische "Nano-Maschinen" der Zelle bezeichnen. Während ihrer jahrmilliardenlangen Evolution ist ihre dreidimensionale Struktur fortwährend optimiert worden. Wie bei vom Menschen hergestellten Maschinen auch sind es erst die Bewegungen der Proteine, die letztlich ihre Funktion umsetzen. Daher ist die interne Proteindynamik äußerst fein abgestimmt; in vielen Fällen kommt es auf die Bewegung einzelner Atome an. Die Natur zeigt uns hier die Grenze der Miniaturisierung auf. Entsprechend hat eine Reihe von Erbkrankheiten ihre Ursache darin, dass einem bestimmten Protein an entscheidender Stelle einige wenige Atome fehlen, manchmal sogar nur ein einziges. Während der genaue Aufbau von Proteinen in vielen Fällen mit atomarer Auflösung vermessen werden kann, sind die oft sehr schnellen Bewegungen eines Proteins auf atomarer Ebene experimentell äußerst schwer zugänglich.

Computersimulationen dieser Bewegungen können diese Lücke schließen und damit erklären, wie diese "nanotechnischen Wunderwerke" funktionieren. Erst moderne Höchstleistungsparallelcomputer und immer ausgeklügeltere numerische Verfahren erlauben es, die Bewegung jedes einzelnen der oft mehreren 100.000 Atome eines Proteinsystems mit hinreichender Genauigkeit zu berechnen. In enger Zusammenarbeit mit vielen experimentellen Forschungsgruppen beginnen wir auch komplexe Lebensprozesse auf der Grundlage der bekannten physikalischen Gesetze im Detail zu verstehen.

Der kleinste Motor der Welt

Ein besonders eindruckvolles Beispiel ist der molekulare Motor F-ATP Synthase, der in großer Zahl in den Mitochondrien unserer Zellen vorkommt. Die Ähnlichkeit zwischen der F-ATP Synthase und einem Ottomotor ist frappierend: Hier wie dort gibt es antreibende Kraftstöße (beim Otto-Motor Explosion des Benzin/Luft-Gemisches), eine sich drehende Kurbelwelle und sich bewegende Zylinder (drei im Falle der F-ATP Synthase). Der einzige Unterschied ist der Wirkungsgrad: Während der Ottomotor nur einen Bruchteil der thermodynamisch maximal möglichen Leistung erzielt, sind es bei der ATP Synthase nahezu 100 Prozent. Mithilfe dieses Motors setzt der menschliche Körper pro Tag etwa 50 Kilogramm des Energieträgers ATP um und stellt allen Prozessen im Körper so die benötigte Energie zur Verfügung. Wie diese Energieübertragung im Detail funktioniert, konnten wir durch Computersimulationen aufklären. Die Simulationen offenbarten eine regelrechte "Nanomechanik", welche die Drehbewegung der Achse in eine atomar abgestimmte Bewegung an der Synthesestelle umsetzt, sodass das ATP-Molekül gezielt zusammengesetzt wird.