Kasseler Forschungsteam ermöglicht Quantenrechnungen für biologische Großsysteme
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Kasseler Forschungsteam ermöglicht Quantenrechnungen für biologische Großsysteme
Um Moleküle bis auf die Ebene einzelner Elektronen zu verstehen, benötigen Forschende quantenmechanische Simulationen. Solche Rechnungen gelten bislang als extrem rechenintensiv und waren meist auf Systeme mit wenigen tausend Atomen beschränkt. Ein Forschungsteam der Universität Kassel hat nun ein Verfahren entwickelt, das Rechnungen mit mehreren Millionen Atomen ermöglicht. Der neue Ansatz erweitert die Möglichkeiten in der Biophysik erheblich und senkt gleichzeitig den Bedarf an Rechenzeit und Energie deutlich.
Simulation eines Systems mit 45 Millionen Atomen
Als Demonstration der Methode untersuchte das Forschungsteam einen Bakteriophagen – ein Virus, das Bakterien angreift. Das simulierte System umfasste insgesamt 45 Millionen Atome. „Nach unserem Kenntnisstand handelt es sich damit um die bislang größte Hartree-Fock-Rechnung weltweit“, sagt Prof. Dr. Martin E. Garcia vom Institut für Physik der Universität Kassel.
Die Hartree-Fock-Methode ist ein Standardverfahren zur Beschreibung der Elektronenstruktur von Molekülen. In der Forschungsgruppe Theoretische Physik II wurde nun ein neuer Ansatz entwickelt, mit dem sich diese Methode erstmals effizient auf extrem große biologische Systeme anwenden lässt. Hierfür entwickelte das Team neue Algorithmen und führte gezielte Vereinfachungen ein, um den Rechenaufwand drastisch zu reduzieren. Trotz der hohen Beschleunigung stimmen die Ergebnisse weiterhin mit experimentellen Daten überein.
Neue Einblicke in Krebsforschung und Chronobiologie
Mit der neuen Methode lassen sich biologische Prozesse untersuchen, die bislang kaum quantenmechanisch zugänglich waren. Dazu gehört beispielsweise die Wechselwirkung von UV-Licht mit DNA. „Insbesondere die Absorption von UV-Strahlung ist biologisch relevant, da sie Schäden am Erbgut verursachen und dadurch Krebs begünstigen kann“, erklärt Luc Wieners aus der Arbeitsgruppe Theoretische Physik II und Erstautor der Publikation.
Im Rahmen der DFG-Research Training Group „Multiscale Clocks“ untersucht das Team außerdem, wie Proteine, die für den Tag-Nacht-Rhythmus biologischer Organismen wichtig sind, Licht absorbieren und verarbeiten.
Effizienzschub für das Hochleistungsrechnen
Die hohe Rechengeschwindigkeit erlaubt nicht nur die Untersuchung wesentlich größerer Systeme, sondern beschleunigt auch Rechnungen für mittelgroße Moleküle erheblich. Da Hochleistungsrechnen immense Mengen an Energie benötigt, bietet die Kasseler Methode eine hocheffiziente und nachhaltigere Alternative für großskalige quantenmechanische Simulationen.
Förderung und Veröffentlichung
Die Arbeit von Luc Wieners und Prof. Dr. Martin E. Garcia wurde durch das Graduiertenkolleg „Multiscale Clocks“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Die Rechnungen wurden im Rahmen des Hessischen Kompetenzzentrums für Hochleistungsrechnen (NHR4CES) auf Rechenclustern der Technischen Universität Darmstadt und der Universität Kassel durchgeführt.
Der wissenschaftliche Artikel „A quantum-mechanical framework for million-atom scale biological systems“ wurde in der Fachzeitschrift Communications Chemistry veröffentlicht (https://www.nature.com/articles/s42004-026-02038-y) und wird derzeit auf der Homepage des Journals als Highlight präsentiert.
Kontakt:
Prof. Dr. Martin E. Garcia
Universität Kassel
Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften
Telefon: +49 561 804-4480
E-Mail: garcia@physik.uni-kassel.de
Luc Wieners
Universität Kassel
Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften
Telefon: +49 561 804-4408
E-Mail: lucwieners@physik.uni-kassel.de
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