Datasimulering ger ny kunskap om kroppens nervsystem

Simuleringen på mikrosekundskala är den längsta som någonsin utförts på ett liknande system. Projektet blev möjligt genom en helt nyutvecklad parallellversion av molekylsimuleringsprogrammet GROMACS, som utvecklas av Erik Lindahl och kollegor. Själva simuleringen utfördes under en månad i slutet av våren 2007.

– Vi är oerhört imponerade både av prestanda och stabiliteten på CSCs nya superdator under det här projektet, det har varit en enorm framgång, säger Erik Lindahl, forskarassistent vid Stockholm Center for Biomembrane Research.

Enligt forskarna håller sig proteinet helt stabilt över hela simuleringen. I normalfallet vore det inget sensationellt resultat, men då både systemstorlek och tidsskalorna här är en storleksordning större än vad som tidigare studerats är det en viktig bekräftelse av noggrannheten i alla parametrar, de relativt lågupplösta kristallstrukturerna, fysiska modeller och inte minst algoritmerna som gjort det möjligt att nå de här tidsskalorna.

Lipiderna packas tätt mot proteinets yta och vattenmolekyler fyller ut kaviteterna i jonkanalen som förväntat, vilket gör strukturen extremt stabil. Simuleringarna ger stora mängder data för att analysera växelverkningar mellan membran och proteiner, och kommer till exempel att göra det möjligt att svara på om vissa lipider är hårdare bundna än andra och hur membranproteiner rör sig i membran. Det primära målet är dock att förstå hur strukturella förändringar i proteiner uppstår som en funktion av spänningar över membranet, vilket är grunden till alla nervimpulser i kroppen – till exempel hjärtslag.

– Simuleringarna skalar med runt 80 procents effektivitet när vi använder 170 processorer på Louhi, vilket är nästan dubbelt så bra som resultat från DDR-infiniband på Linuxkluster – Crays SeaStar-nätverk är helt fantastiskt, sammanfattar Erik Lindahl.

Jonkanaler har länge varit ett intressant område för forskare. Det finns över 30 000 kända strukturer för vattenlösninga proteiner, men man har bara lyckats kristallisera några hundra membranproteiner trots att de svarar för runt en tredjedel av alla proteiner i celler. Kunskapen om mebranproteiner är fortfarande väldigt begränsad, och experimentella strukturer ger dessutom oftast bara en statisk bild av proteinet. Datorsimuleringar av proteiner är med andra ord ett viktigt hjälpmedel för att förstå hur proteiner fungerar och växelverkar med sin omgivning, och ett viktigt komplement till experimentella studier.

– Jonkanaler är ett hett forskningsområdena på grund av deras roll i nervsystemet, hur energi lagras i celler och sjukdomar som epilepsi. Problemet är främst att av vi fortfarande inte förstår mekanismerna bakom strukturella förändringar och växelverkningar. Det är precis här som storskaliga datorsimuleringar är värdefulla och kan hjälpa oss förstå hur kanaler öppnas/stängs och kan kontrolleras, säger Ilpo Vattulainen.

Utlysning av ”grand challenge” projekt hösten 2007:
Under våren har CSC utlyst kortare pilotprojekt för ”grand challenges” som ska köras på CSCs nya superdator Louhi. Av fem förslag valde man ut Vattulainen och Lindahl, både på grund av de vetenskapligt viktiga målen och det effektiva utnyttjandet av datorresurserna. Man kommer att ta hänsyn till erfarenheterna från pilotprojektet när CSC nu förbereder en process för att kontinuerligt stödja projekt av ”grand challenge”-karaktär. Ett att resultaten från det framgångsrika pilotprojektet är att CSC kommer att utlysa en ny omgång av ”grand challenge” projekt för hösten 2007, som kommer att kunna utnyttja en stor del av Louhi’s resurser.

CBR i korthet
Stockholm Center for Biomembrane Research är ett SSF-finansierat strategiskt initiativ vid Stockholms universitet för att stödja svensk forskning på cellmembran, membranproteiner och membranrelaterade funktioner. Centret omfattar ett 20-tal internationellt framgångsrika
forskargrupper under ledning av professor Gunnar von Heijne.

Viktiga fokusområden för forskningen är att förstå hur proteiner sätts in i membran, hur joner och andra små molekyler transporteras, hur signalering fungerar, och att omvandla grundläggande naturvetenskapliga forskningsrön till framgångsrika tillämpningar inom bioteknologi och medicin.
För mer information, se http://www.cbr.su.se

CSC i korthet
CSC är finska IT-centret för vetenskap, ägt av staten och administrerat av undervisningsministeriet. Företaget har tjänat forskare och högskolor sedan 1971. I de nya lokalerna vid Kägelviken i Esbo jobbar 147 fackmän. CSCs anställda är i huvudsak erfarna experter inom datateknik och olika vetenskapsområden. Omsättningen var 15,5 miljoner euro år 2006. Funet-datakommunikationstjänsterna används av 350 000 forskare och studenter.

Beräkningstjänsterna har cirka 1 400 kunder fördelade på drygt 580 forskningsprojekt. Ungefär 2 000 registrerade kunder utnyttjar årligen programvaru- och databastjänsterna. Största delen av datorresurserna används för tillämpningar inom nanovetenskap (32 procent), fysik (26 procent) och kemi (24 procent).

I samarbete med forskare, forskningsinstitut och företag utvecklar CSC nya tjänster och ny teknolog samt ny programvara för vetenskaplig datateknik. Företaget samarbetar med superdatorcentraler över hela världen, expertorganisationer för beräkningsvetenskap, samt med nationella forskningsnätverk inom Europa.

Kontaktinformation
Mer information
Ilpo Vattulainen, Tampere Universitet, tfn +358 400 510 592, e-post ilpo.vattulainen@tut.fi
Erik Lindahl, Stockholm Center for Biomembrane Research, Stockholms universitet, tfn 08-16 46 75, mobil 0704-218767, e-post lindahl@cbr.su.se