Neue Broschüre "High-Performance Computing und Data Science in der MPG"

Beitrag von Jan Huertas, Hans Schöler und Vlad Cojocaru vom MPI für molekulare Biomedizin

11. August 2021

Wer sich noch an "Floppy-Disks" mit 1,44 MB Speicherkapazität erinnert, weiß wie schnell sich die Computertechnik weiterentwickelt hat. Auch in der Wissenschaft sind die zu verarbeitenden Datenmengen immer größer geworden. Die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) hat sehr früh die Bedeutung dieser Technologie für ihre Wissenschaftler erkannt und 1961 mit dem Aufbau eines eigenen Rechenzentrums in Garching begonnen. Heute, 60 Jahre später, ist die Max Planck Computing and Data Facility (MPCDF) ein institutionsübergreifendes Kompetenzzentrum der Max-Planck-Gesellschaft zur Unterstützung der Computer- und Datenwissenschaften. Der Artikel von Jan Huertas und seinem Mentor Vlad Cojocaru, Projektgruppenleiter der Computational Structural Biology am Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin und Gruppenleiter am Hubrecht-Institut in Utrecht, Niederlande, ist einer der 28 Artikel, die die Jubiläumsausgabe der Broschüre "High-Performance Computing and Data Science in the Max Planck Society" bilden.

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Jan Huertas und Vlad Cojocaru nutzten das so genannte "Computernanoskop", um Umstrukturierungen des Chromatins zu visualisieren. Chromatin besteht aus genomischer DNA, die in Nukleosomen um Histonproteinen gewickelt ist, und ist eine hochdynamische Struktur, die für die Genregulierung verantwortlich ist. Der Begriff Computernanoskop bezieht sich auf eine Reihe von molekularen Modellierungs- und Simulationsmethoden, die die Visualisierung der biomolekularen Dynamik bei atomarer und subatomarer Auflösung ermöglichen.

In den letzten Jahren sind Simulationen der atomistischen Molekulardynamik so genau geworden, dass man die Bewegung der Moleküle auf dem Computer beobachten kann, als ob man sie unter einem hochauflösenden Nanoskop betrachten würde.

Mit den an der Max Planck Computing and Data Facility (MPCDF) verfügbaren Ressourcen konnten Jan Huertas und Vlad Cojocaru nun in ein bis zwei Monaten Rechenzeit eine Trajektorie für einzelne Nukleosomen von einer Mikrosekunde erzeugen. Mit den Ergebnissen von Simulationen der multiplen atomistischen Molekulardynamik über insgesamt 25 Mikrosekunden von drei Nukleosomen entdeckten die Wissenschaftler den Zusammenhang zwischen der Atmung der Nukleosomen und der Dynamik des Histonschwanzes. Darüber hinaus enthüllten ihre Ergebnisse die strukturellen Merkmale und die Dynamik, die bei der Bindung des Transkriptionsfaktors Oct4 an verschiedene Stellen des Nukleosoms eine Rolle spielen. Diese Daten sind wichtig für das Verständnis der Chromatindynamik und der Funktion von Pionier-Transkriptionsfaktoren.

Die Broschüre enthält Beispiele für wissenschaftliche Arbeiten, die derzeit von den MPCDF-Diensten unterstützt werden. Die keineswegs umfassende Auswahl umfasst 28 Artikel aus den Bereichen Astrophysik, Hirnforschung, Material- und Biowissenschaften, Hochenergiephysik, Plasmaphysik und Fusionsforschung, Turbulenzforschung und Demographie, die von verschiedenen Max-Planck-Instituten beigesteuert wurden.

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