クラウス・シュルテン

クラウス・シュルテン
生まれる（1947年1月12日）1947年1月12日
レックリングハウゼン、ドイツ[ 2 ]
死亡2016年10月31日（2016年10月31日）（69歳）
米国イリノイ州アーバナ​
母校ハーバード大学
知られている分子動力学、光合成、高性能コンピューティング、分子グラフィックス
配偶者ザイダ・ルタイ・シュルテン
受賞歴生物物理学会全国講師、シドニー・ファーンバック賞
科学者としてのキャリア
フィールド物理学、化学、生物物理学、計算生物学
機関イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校
博士課程の指導教員マーティン・カープラス
博士課程の学生
Webサイトhttp://www.ks.uiuc.edu/~kschulte
外部ビデオ
ビデオアイコン「クラウス・シュルテン、計算顕微鏡」、TEDxUIUC
ビデオアイコン「インタビュー クラウス・シュルテン、2015年生物物理学会国内講師

クラウス・シュルテン（1947年1月12日 - 2016年10月31日）は、ドイツ系アメリカ人の計算生物物理学者であり、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のスワンランド物理学教授であった。[ 3 ]シュルテンはスーパーコンピューティング技術を用いて理論物理学を生物医学および生物工学の分野に応用し、生体システムを動的にモデル化した。[ 4 ] 彼の数学的、理論的、技術的革新は、生物細胞の運動、視覚における感覚プロセス、動物のナビゲーション、光合成における光エネルギーの収集、ニューラルネットワークにおける学習に関する重要な発見につながった。[ 5 ]

シュルテンは、生命科学の目標を原子から細胞レベルまでの生物系の特性を明らかにすることであると定めた。彼はペタスケールのコンピュータを使用し、エクサスケールのコンピュータを使用して原子スケールの生化学プロセスをモデル化することを計画した。彼の研究により、高分子レベルで連携して働く何千ものタンパク質の活動の動的シミュレーションが可能になった。彼の研究グループは計算構造生物学用のソフトウェアを開発・配布し、シュルテンはそれを用いて数々の重要な発見をした。分子動力学パッケージNAMDと可視化ソフトウェアVMDは、世界中で少なくとも30万人の研究者によって使用されていると推定されている。[ 4 ]シュルテンは病気のため2016年に亡くなった。[ 6 ]

教育

シュルテンは1969年にミュンスター大学でディプロム（学位）を取得し、 1974年にはマーティン・カープラスの指導の下、ハーバード大学で化学物理学の博士号を取得した。ハーバード大学では、視覚と生体分子が光励起に反応する仕組みを研究した。[ 7 ]彼は特に、ポリエンの一種であるレチナールとオプシンの発色団の研究に興味を持っていた。シュルテンは、ポリエンにおける電子励起の予測パターンと一致しない「光学的に禁制」状態の実験的観察に対して、理論的説明を与えることができた。シュルテンは電子を共有結合状態と非共有結合状態に分類し、協調的（共有結合的）に作用する電子は独立的（非共有結合的）に作用する電子よりもエネルギー消費量が少ないことを明らかにした。[ 8 ] [ 9 ]

キャリアと研究

マックス・プランク生物物理化学研究所

卒業後、シュルテンはゲッティンゲンのマックス・プランク生物物理化学研究所に入所し、1980年まで在籍した。研究所では、アルベルト・ヴェラーと共に電子移動反応の研究に取り組んだ。彼の最初の研究テーマの一つは、「高速三重項」と呼ばれる化学反応生成物、すなわち平行スピンを持つ電子対を持つ励起分子の解明だった。シュルテンが発見したのは、磁場が化学反応に影響を与える可能性があることであり、これはこれまで実証されていなかった物理的効果であった。磁場の有無にかかわらず反応を起こさせることで、この効果を示すことができた。シュルテンは特に、光合成における電子移動など、磁場効果が生物系に与える影響に興味を持っていた。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

シュルテンはまた、渡り鳥などの生物種におけるコンパスセンサーを高速三重項が説明できる可能性を探り始めました。ヨーロッパコマドリが何らかの磁気受容機構を用いていることは、1965年にヴォルフガング・ヴィルチコとフリッツ・メルケルによって実証され、ヴォルフガングとロスウィザ・ヴィルチコによってさらに研究されました。[ 12 ] [ 13 ]シュルテンは、ラジカル対系の量子もつれが生化学的コンパスの基盤となる可能性があると提唱しました。 [ 14 ]シュルテンらはその後、この初期の研究を発展させ、眼の網膜内の光受容体におけるクリプトクロムタンパク質の励起モデルを開発しました。[ 13 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

ミュンヘン工科大学

1980年、シュルテンはミュンヘン工科大学の理論物理学教授に就任した。1988年、ハルトムート・ミシェル、ヨハン・ダイゼンホーファー、ロバート・フーバーは光合成反応中心の三次元構造を解明した功績によりノーベル化学賞を受賞した。彼らの反応中心構造の解明は、クラウス・シュルテンが光合成のシミュレーションモデルを開発することを可能にし、後にシュルテンはミシェルとダイゼンホーファーと共に光合成におけるLH2のモデル開発に取り組んだ。[ 18 ]

シュルテンは光合成反応中心のモデル化を成功させるには並列計算能力が必要であることを認識していた。彼は研究助成金を使い、ミュンヘンの学生ヘルムート・グルブミュラーとヘルムート・ヘラーを支援し、分子動力学シミュレーションに最適化されたカスタム並列コンピュータを構築した。彼らは、6つのトランスピュータをそれぞれ搭載した10枚の回路基板、計60ノードからなる並列コンピュータT60を開発した。T60は小型で、シュルテンがイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校に入学するために米国に移住した際、バックパックに入れて税関を通過することができた。学生たちがEGOと名付けたT60の並列計算ソフトウェアは、OCCAM IIで書かれていた。[ 19 ]

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校

1988年、シュルテンはイリノイ大学アーバナシャンペーン校（UIUC）に移り、 1989年にベックマン先端科学技術研究所に理論・計算生物物理学グループを設立した。[ 3 ] [ 20 ]

UIUCにおけるNAMDの初期開発は、ミュンヘンのシュルテン教授の学生たちが分子動力学シミュレーションに最適化されたカスタム並列コンピュータを開発するという研究に基づいていました。T60を用いた最初のシミュレーションでは、27,000個の原子からなる膜構造がモデル化され、実行には20ヶ月かかりました。シミュレーション結果は実験結果と一致し、最終的にJournal of Physical Chemistry誌に掲載されました。[ 19 ] [ 21 ]

T60とコネクションマシンの開発を通して、シュルテンはさらなる計算能力と専門知識が必要だと確信した。シュルテンはNIHから5年間の助成金を得て、コンピュータ科学者のロバート・スキールとラクシュミカント・V・ケール（「サンジェイ」ケール）と提携し、彼らの学生たちは新しい言語であるC++で分子動力学のコードを書き始めた。[ 21 ] [ 22 ]それ以来、シュルテンの研究グループは、分子動力学パッケージNAMDや可視化ソフトウェアVMDなど、計算構造生物学のためのソフトウェア開発でよく知られるようになった。これらのパッケージは非営利研究に自由に利用でき、世界中で約30万人の研究者によって使用されている。[ 4 ] [ 23 ]

健康と病気を理解したいのであれば、生命を分子レベルで理解し、すべての分子構成要素が時計仕掛けのようにどのように連携して機能するかを知る必要があります。[ 7 ]

シュルテンは時を経て、より大型のコンピュータを用いて、ますます大規模かつ複雑化する生物学的構造を研究対象とした。2007年には、グラフィックス・プロセッシング・ユニット（GPU）を用いた分子モデリングの研究を開始した。 [ 24 ]実験結果に対するモデルの検証は開発の不可欠な要素であり、例えば、分子動力学をクライオ電子顕微鏡法やX線結晶構造解析と組み合わせて用いることで、巨大な高分子複合体の構造を研究することができる。[ 25 ]

1996年、シュルテンはロドスピリルム・モリスキアナムの光合成反応中心タンパク質ファミリーのLH2構造モデルを発表しました。リチャード・J・コグデルがロドシュードモナス・アシドフィラ由来の9回折り畳み構造のLH-2の構造を参考に、シュルテンはミシェルと共同でロドスピリルム・モリスキアナムのLH2の8回折り畳み構造の結晶構造モデルを開発しました。彼らは、LH2の分光学的特性に加え、光合成光捕集におけるエネルギー移動反応についても解析しました。[ 18 ] [ 26 ]

2006年、シュルテンのグループはサテライトタバコモザイクウイルスをモデル化し、ウイルス内の約100万個の原子と周囲の塩水滴との間のフェムト秒相互作用を500億分の1秒で再現しました。これほど完全なモデルが生成されたのは初めてであり、アーバナ国立スーパーコンピュータ応用研究所の資源を必要としました。このシミュレーションは、ウイルスの活動に関する新たな知見をもたらしました。一つの発見は、静止画像では対称的に見えるウイルスが、実際には非対称に脈動しているということです。もう一つの発見は、ウイルスの外殻であるタンパク質カプシドは、粒子のRNAコアに含まれる遺伝物質に依存しており、それがないと崩壊してしまうということです。これは、ウイルスが増殖する際に外殻を形成する前に、遺伝物質が既に存在している必要があることを示唆しています。[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]このような研究は、ウイルスの制御に役立つ可能性のある介入の可能性を示唆するとともに、効果を予測するための介入の可能性をシミュレーションで 探究する可能性も提供しています。[ 30 ]

2009年のレビューでは、同グループの「計算顕微鏡」を用いて、タイチン、フィブリノーゲン、アンキリン、カドヘリンなどのタンパク質のシミュレーションをモデル化し検証する作業について説明している。 [ 31 ]

2010年、イリノイ大学のシュルテンらの研究グループとユタ大学の研究者らは、H1N1pdm豚インフルエンザウイルスとH5N1鳥インフルエンザウイルスにおけるタミフルに対する薬剤耐性の発達を検証した研究を発表しました。彼らのシミュレーションは、タミフルのペンチル側鎖基の破壊に加えて、荷電ノイラミニダーゼ経路における静電引力による結合プロセスの破壊によって薬剤耐性が生じる可能性があることを示唆しました。 [ 19 ] [ 32 ]

2013年、シュルテンの研究グループは、スーパーコンピュータ「ブルーウォーターズ」を使って作成した、6400万個の原子を含むヒト免疫不全ウイルスカプシドのシミュレーション構造を発表しました。これは、これまで報告されたシミュレーションの中で最大規模のものの1つです。[ 33 ]

2015年時点で報告されている最大のシミュレーションは、1億個の原子が関与するものでした。シュルテンのチームは、光合成の最も単純な生体例の1つ​​である紫色細菌の色素胞の構造と機能をモデル化しました。太陽光を化学エネルギーに変換するプロセスをモデル化するということは、細胞の総体積のわずか1%を占める小さな球形の細胞小器官の内容物である、1億個の原子、16,000個の脂質、101個のタンパク質を表現することを意味しました。チームはテネシー州オークリッジ国立研究所のTitanスーパーコンピュータを使用しました。[ 7 ] [ 34 ]シュルテンは亡くなる前に、2018年までに構築される予定のエクサスケールのSummitコンピュータのシミュレーションをすでに計画していました。[ 7 ]

賞と会員資格

シュルテンは、生物物理学会（2012年）[ 35 ]およびアメリカ物理学会（1992年）のフェローでした。 [ 36 ]彼は2012年にIEEEコンピュータ協会からシドニー・ファーンバック賞を（ラクシュミカント・V・ケールと共同で）受賞しました。 [ 5 ]彼は2013年に生物物理学会功労賞を受賞しました。その理由は、「生理学的領域に一致する時間スケールで生物学的高分子の現実的な分子動力学シミュレーションの基礎を築き、その手法とソフトウェアをオープンに利用できるようにしたこと」です。[ 3 ] [ 37 ]彼は2015年に生物物理学会の最高の表彰である全国講師でした。[ 38 ]

参考文献

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