كلاوس شولتن

بعد تخرجه، انضم شولتن إلى معهد ماكس بلانك للكيمياء الفيزيائية الحيوية في غوتينغن ، حيث بقي حتى عام 1980. في المعهد، عمل مع ألبرت ويلر على تفاعلات نقل الإلكترون. كان أحد مشاريعه الأولى شرح ناتج تفاعل كيميائي يُسمى " الثلاثي السريع "، وهو جزيء مُثار يحتوي على زوج من الإلكترونات ذات دوران متوازي. اكتشف شولتن أن المجال المغناطيسي يُمكن أن يؤثر بشكلٍ واضح على التفاعل الكيميائي، وهو تأثير فيزيائي لم يُثبت سابقًا. وقد أمكن إظهار هذا التأثير من خلال إحداث التفاعل في وجود مجال مغناطيسي وغيابه. كان شولتن مهتمًا بشكل خاص بآثار تأثير المجال المغناطيسي على الأنظمة البيولوجية، مثل نقل الإلكترون في عملية التمثيل الضوئي. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

بدأ شولتن أيضًا باستكشاف إمكانية أن تفسر الثلاثيات السريعة مستشعرات البوصلة لدى الكائنات الحية، مثل الطيور المهاجرة. وقد أثبت فولفغانغ ويلتشكو وفريتز ميركل في عام 1965 أن طائر أبو الحناء الأوروبي يستخدم شكلاً من أشكال الاستقبال المغناطيسي ، ثم درس فولفغانغ وروزويثا ويلتشكو هذا الأمر لاحقًا . ^{[ 12 ] [ 13 ]} اقترح شولتن أن التشابك الكمي لنظام أزواج الجذور الحرة قد يكون أساسًا للبوصلة الكيميائية الحيوية. ^{[ 14 ]} ومنذ ذلك الحين ، وسّع شولتن وآخرون هذا العمل المبكر، وطوروا نموذجًا للإثارة المحتملة لبروتينات الكريبتوكروم في المستقبلات الضوئية داخل شبكية العين . ^{[ 13 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

في عام ١٩٨٠، أصبح شولتن أستاذًا للفيزياء النظرية في جامعة ميونخ التقنية . وفي عام ١٩٨٨، فاز هارتموت ميشيل ، ويوهان دايزنهوفر ، وروبرت هوبر بجائزة نوبل في الكيمياء لاكتشافهم البنية ثلاثية الأبعاد لمركز التفاعل الضوئي . وقد مكّنهم هذا الاكتشاف من تطوير نماذج محاكاة لعملية التمثيل الضوئي. لاحقًا، تعاون شولتن مع ميشيل ودايزنهوفر في تطوير نماذج لجزيء الهيدروجين السائل (LH2) في عملية التمثيل الضوئي. ^{[ ١٨ ]}

أدرك شولتن أن أي هجوم ناجح على نمذجة مركز التفاعل الضوئي يتطلب قدرة حاسوبية متوازية. فاستخدم منح البحث التي حصل عليها لدعم طالبي ميونخ، هيلموت غروبمولر وهيلموت هيلر، في بناء حاسوب متوازي مُصمم خصيصًا لمحاكاة ديناميكيات الجزيئات. وقد طورا حاسوبًا متوازيًا، أطلقوا عليه اسم T60، يحتوي على عشر لوحات دوائر ، كل منها مزودة بستة معالجات Transputer ، ليصبح المجموع 60 عقدة. كان T60 صغيرًا بما يكفي ليتمكن شولتن من حمله في حقيبة ظهر أثناء مروره عبر الجمارك، عندما انتقل إلى الولايات المتحدة للالتحاق بجامعة إلينوي في أوربانا-شامبين. كُتب برنامج الحوسبة المتوازية الخاص بـ T60، والذي أطلق عليه الطالبان اسم EGO، بلغة OCCAM II . ^{[ 19 ]}

في عام 1988، انتقل شولتن إلى جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين (UIUC)، حيث أسس مجموعة الفيزياء الحيوية النظرية والحسابية في معهد بيكمان للعلوم والتكنولوجيا المتقدمة في عام 1989. ^{[ 3 ] [ 20 ]}

استند التطوير المبكر لبرنامج NAMD في جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين إلى عمل طلاب شولتن في ميونيخ لبناء حاسوب متوازي مُصمم خصيصًا لمحاكاة الديناميكا الجزيئية. وقد نمذجت أول محاكاة على جهاز T60 بنية غشاء مكونة من 27000 ذرة، واستغرقت عشرين شهرًا. وتوافقت نتائج المحاكاة مع النتائج التجريبية، ونُشرت لاحقًا في مجلة الكيمياء الفيزيائية . ^{[ 19 ] [ 21 ]}

أقنع العمل على جهازي T60 و Connection Machine شولتن بضرورة توفير المزيد من القدرات الحاسوبية والخبرات. تعاون شولتن مع عالمي الحاسوب روبرت سكيل ولاكسميكانت ف. كالي ("سانجاي" كالي) في منحة مدتها خمس سنوات من معاهد الصحة الوطنية الأمريكية، وبدأ طلابهم بكتابة برامج ديناميكيات الجزيئات بلغة جديدة، هي C++ . ^{[ 21 ] [ 22 ]} ومنذ ذلك الحين، اشتهر فريق شولتن البحثي بتطوير برامج لعلم الأحياء البنيوي الحاسوبي ، بما في ذلك حزمة ديناميكيات الجزيئات NAMD وبرنامج التصور VMD . هذه الحزم متاحة للاستخدام مجانًا في الأبحاث غير التجارية، ويستخدمها ما يقارب 300,000 باحث حول العالم. ^{[ 4 ] [ 23 ]}

إذا أردنا فهم الصحة والمرض، فنحن بحاجة إلى فهم الحياة على المستوى الجزيئي ومعرفة كيف تعمل جميع المكونات الجزيئية معًا بدقة متناهية. ^{[ 7 ]}

بمرور الوقت، استهدف شولتن دراسة البنى البيولوجية ذات الحجم والتعقيد المتزايدين، باستخدام حواسيب أكبر فأكبر. وبحلول عام 2007، كان يستكشف النمذجة الجزيئية باستخدام وحدات معالجة الرسومات (GPUs). ^{[ 24 ]} يُعد التحقق من صحة النماذج مقابل النتائج التجريبية جزءًا لا يتجزأ من عملية التطوير، على سبيل المثال، باستخدام ديناميكيات الجزيئات بالاشتراك مع المجهر الإلكتروني فائق البرودة وعلم البلورات بالأشعة السينية لدراسة بنى المركبات الجزيئية الكبيرة . ^{[ 25 ]}

شهد عام 1996 نشر نموذج شولتن لبنية بروتين LH2، وهو أحد بروتينات مركز التفاعل الضوئي في بكتيريا رودوسبيريلوم موليشيانوم. وبالاستناد إلى بنية ريتشارد ج. كوجدل لبروتين LH-2 ذي التسعة طيات من بكتيريا رودوبسيودوموناس أسيدوفيلا، تعاون شولتن مع ميشيل لتطوير نموذج لبنية بلورية ثمانية الطيات لبروتين LH2 في بكتيريا رودوسبيريلوم موليشيانوم. وبالإضافة إلى خصائصه الطيفية، درسوا تفاعلات نقل الطاقة فيه ضمن عملية حصاد الضوء الضوئي. ^{[ 18 ] [ 26 ]}

في عام 2006، قام فريق شولتن بوضع نموذج لفيروس تبرقش التبغ الفضائي ، محاكياً تفاعلات الفيمتوثانية لحوالي مليون ذرة في الفيروس وقطرة من الماء المالح المحيطة بها لمدة 50 جزءًا من مليار من الثانية. كانت هذه المرة الأولى التي يتم فيها إنشاء نموذج كامل كهذا، مما استلزم استخدام موارد المركز الوطني لتطبيقات الحوسبة الفائقة في أوربانا. وقد قدمت المحاكاة رؤى جديدة حول أنشطة الفيروس. من بين الاكتشافات أن الفيروس، الذي يبدو متناظرًا في الصور الثابتة، ينبض في الواقع بشكل غير متناظر. كما تبين أن غلاف الفيروس، وهو البروتين القفيصي، يعتمد على المادة الوراثية في لب الحمض النووي الريبي (RNA) للجسيم، وسينهار بدونها. يشير هذا إلى أن المادة الوراثية يجب أن تكون موجودة مسبقًا قبل أن يتمكن الفيروس من بناء غلافه عند التكاثر. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} تشير هذه الأبحاث إلى تدخلات محتملة قد تساعد في السيطرة على الفيروس، كما أنها توفر إمكانية استكشاف التدخلات المحتملة باستخدام المحاكاة الحاسوبية للتنبؤ بفعاليتها. ^{[ 30 ]}

تصف مراجعة أجريت عام 2009 العمل في نمذجة ومحاكاة البروتينات مثل التيتين والفيبرينوجين والأنكيرين والكادهيرين ^{باستخدام} " المجهر الحسابي " الخاص بالمجموعة. [ ^{31 ]}

في عام 2010، نشر فريق شولتن في جامعة إلينوي وباحثون من جامعة يوتا بحثًا تناول تطور مقاومة عقار تاميفلو في فيروس إنفلونزا الخنازير H1N1pdm وفيروس إنفلونزا الطيور H5N1 . وأشارت محاكاة الباحثين إلى أن مقاومة العقار قد تنشأ عن خلل في عملية الارتباط نتيجةً للتجاذب الكهروستاتيكي في مسارات النيورامينيداز المشحونة ، بالإضافة إلى خلل في المجموعة الجانبية البنتيلية لعقار تاميفلو. ^{[ 19 ] [ 32 ]}

في عام 2013، نشرت مجموعة شولتن بنية محاكاة لغلاف فيروس نقص المناعة البشرية تحتوي على 64 مليون ذرة، من بين أكبر عمليات المحاكاة التي تم الإبلاغ عنها، والتي تم إنتاجها باستخدام الحاسوب العملاق بلو ووترز . ^{[ 33 ]}

حتى عام 2015، شملت أكبر عمليات المحاكاة المنشورة مئة مليون ذرة. قام فريق شولتن بنمذجة بنية ووظيفة الكروماتوفور في بكتيريا أرجوانية ، وهي من أبسط الأمثلة الحية لعملية التمثيل الضوئي . تطلبت نمذجة العمليات المتعلقة بتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية تمثيل 100 مليون ذرة، و16000 جزيء دهني، و101 بروتين، وهي محتويات عُضَيّة كروية الشكل صغيرة الحجم تشغل 1% فقط من إجمالي حجم الخلية. استخدم الفريق حاسوب تيتان العملاق في مختبر أوك ريدج الوطني في ولاية تينيسي. ^{[ 7 ] [ 34 ]} عند وفاته، كان شولتن يخطط بالفعل لإجراء عمليات محاكاة لحاسوب ساميت فائق السرعة (إكسا سكيل)، والذي كان من المتوقع بناؤه بحلول عام 2018. ^{[ 7 ]}