unizeit | Nanowissenschaft | Naturwissenschaft & Mathematik | Technologie
unizeit Schriftzug

Algorithmen ergänzen das Chemielabor

Manche chemischen Prozesse sind so komplex, dass sich kaum sagen lässt, was dabei genau passiert. Computergestützte Methoden, wie sie Juniorprofessorin Carolin König entwickelt, können diese Prozesse simulieren und so helfen, sie besser zu verstehen.

Leuchtende Moleküle
© Peter Nilsson

Spezielle leuchtende Moleküle setzen sich an abnormalen Proteinstrukturen an und können so auf bestimmte Gehirnkrankheiten hinweisen. Die Theoretische Chemikerin Carolin König erforscht die dabei ablaufenden Prozesse.

Proteine erfüllen in unserem Körper unterschiedliche Aufgaben. Äußerlich verändert können sie ein Indiz für verschiedene Erkrankungen sein. Spezielle Moleküle docken gezielt an diesen »fehlerhaften« Eiweißstrukturen an und funktionieren wie eine Art Warnhinweis. Diese sogenannten »Biomarker« werden als Indikatoren für medizinische Diagnosen genutzt.

»Wir könnten die Funktion von Biomarkern noch weiter verbessern, wenn wir die Mechanismen der dabei ablaufenden chemischen Prozesse genauer verstehen«, sagt Carolin König, Juniorprofessorin am Institut für Physikalische Chemie. Sie erforscht vor allem Biomarker für sogenannte Amyloidfibrille – abnormale Eiweißstrukturen in den Nervenzellen des Gehirns, die im Zusammenhang mit Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson auftreten. Mit optimierten Biomarkern könnten sich einzelne Krankheiten noch besser unterscheiden lassen. Zusammen mit der schwedischen Universität Linköping und der KTH Stockholm untersucht König Biomarkermoleküle, die sich an diese fehlerhaften Amyloidfibrillenstrukturen ansetzten. Doch welche Prozesse dabei im Einzelnen ablaufen, lässt sich experimentell kaum untersuchen.

Bei den Reaktionen, die rund um diese Biomarker ablaufen, spielen so viele Parameter zusammen, dass wir niemals alle berechnen können.

Carolin König

Um den Mechanismen hinter den Biomarkern auf die Spur zu kommen, nutzt König Methoden aus der Quantenmechanik. Die Idee der theoretischen Chemie, das Verhalten von Molekülen oder einzelnen Atomen mathematisch zu berechnen und somit vorherzusagen, sowie die nötigen Grundgleichungen gibt es schon vergleichsweise lange. Doch erst in den vergangenen Jahrzehnten ermöglichten bessere Algorithmen und leistungsfähigere Computer genaue Ergebnisse auch für komplexe Systeme. Selbst mit modernen Methoden können die Berechnungen dafür auch in großen Computeranlagen schon einmal mehrere Wochen dauern.

Portraitfoto von Carolin König
© Julia Siekmann

Carolin König

Doch bei der Untersuchung von Biomarkern, die auf bestimmte Gehirnerkrankungen hinweisen, helfen König auch Hochleistungscomputer allein kaum weiter. »Bei den Reaktionen, die rund um diese Biomarker ablaufen, spielen so viele Parameter zusammen, dass wir niemals alle berechnen können«, beschreibt König ein grundsätzliches Problem der theoretischen Chemie. Auch mit der zu erwartenden Leistungssteigerung von Computern würden die Berechnungen viel zu lange dauern. »Bei der Anzahl der beteiligten Parameter erreichen wir irgendwann die Menge der Sterne im Universum – das ist die Größenordnung, in der wir uns bewegen.«

Um realistisch durchführbare Algorithmen aufstellen zu können, will König sich vor allem auf die Parameter konzentrieren, die einen entscheidenden Einfluss auf das Resultat haben: Reaktionen finden häufig nur in einem kleinen Teil eines Proteins statt. Diese lokalen Prozesse will König mit genauen, aber aufwendigen Berechnungen untersuchen, während sie in Regionen, in denen keine zentralen Reaktionsschritte ablaufen, einfachere Näherungen anwenden will. »Durch diese Kombination von Methoden erhalten wir eine Berechnung, die möglichst genau, aber nicht zu komplex ist und sich deshalb noch durchführen lässt«, erläutert die Theoretische Chemikerin.

Die Entwicklung solcher »Multiskalen-Methoden«, die verschiedene Ansätze kombinieren, ist ein aufstrebendes Forschungsfeld. »Hier ist noch viel zu entdecken und viel möglich, das finde ich spannend«, sagt König. Die Bedeutung und das Potenzial des Themas zeigt nicht zuletzt der Chemie-Nobelpreis, mit dem 2013 drei US-Forscher auf diesem Gebiet ausgezeichnet wurden.

Autorin: Julia Siekmann

Emmy-Noether-Forschungsgruppe

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die Entwicklung neuer Methoden in der Computerchemie mit einer Emmy-Noether-Forschungsgruppe und rund einer halben Million Euro für fünf Jahre. Leiterin Juniorprofessorin Carolin König will damit unter anderem spezielle Biomarker untersuchen, die auf Gehirnerkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson hinweisen. Das Emmy-Noether-Programm ermöglicht herausragenden jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, sich durch die Leitung einer eigenen Arbeitsgruppe früh für eine Professur zu qualifizieren. (jus)

unizeit-Suche:

In den unizeit-Ausgaben 27-96 suchen