Forschungszentrum Jülich - Forschen in Jülich 3_2012

15 FORSCHUNG IM ZENTRUM | Simulation Die Protonenwanderung auf der Zellmembran spielt eine wichtige Rolle bei der Energie- produktion in Zellen. Mithilfe einer Simulation konnten Jülicher Forscher nun aufzeigen, dass es eine bisher unbekannte Grenzschicht geben muss, in der sich die Protonen schnell und zielsicher bewegen. 3|2012 Forschen in Jülich Lässt die Physik erzählen, was auf der Membran passiert: Der Physiker Chao Zhang, Doktorand am IAS 5. Hier vor einem Modell des Protonentransports auf der Zellmem- bran. Protonen in der Turboschicht ten Teilchen nachgebildet und dabei auch quantenmechanische Effekte be- rücksichtigt hat. Dabei erfordern bereits einige hundert Atome enormen Rechen- aufwand: Mit 2.000 Atomen ist die Simu- lation des chinesischen Nachwuchswis- senschaftlers eine der größten der Biophysik weltweit. Diese Komplexität hat selbst dem Jü- licher Petaflop-Rechner JUGENE zu schaffen gemacht. 100 Tage hat er ge- braucht, um den Protonentransport für einige Billionstel-Sekunden zu simulie- J ede lebendige Zelle ist ein Kraftwerk, und zwar eines, das seinen Treibstoff selbst herstellt. Wie das genau funk- tioniert, ist eine der großen Fragen der Lebenswissenschaften. Man weiß zwar, dass das Molekül Adenosintriphosphat (ATP) als Energielieferant aller Zellen fungiert, und man weiß, dass alle Zellen ATP reproduzieren, wofür sie die Energie nutzen, die durch ein Gefälle der Proto- nendichte auf den beiden Seiten der Zellmembran entsteht. Aber sobald es an die Details geht, ist vieles unklar. Etwa die Wanderung der Protonen auf der Zellmembran. „Die Frage ist: Wie ge- lingt es den Protonen, sich so zu bewe- gen, dass sie die Protonenpumpen, die das Gefälle regulieren, zügig erreichen?“, sagt Chao Zhang. Der chinesische Physi- ker promoviert bei Prof. Paolo Carloni, Leiter der Arbeitsgruppe für Computio- nal Biomedicine, die seit Anfang 2012 zum Jülicher Institute for Advanced Si- mulation (IAS 5) gehört. Linzer Kooperationspartnern der Gruppe gelang es, die hohe Geschwin- digkeit der Protonen auf der Zellmemb- ran zu messen: „Sie sind so schnell, als würden sie durch Wasser gleiten, wäh- rend sie gleichzeitig an der Membran haften – die sie eigentlich abbremsen sollte“, so Carloni. Während die Experimentalforscher dieses Ergebnis nicht erklären konnten, nutzte Zhang die Möglichkeiten der Computersimulation. „Ich habe die Phy- sik erzählen lassen, was passiert“, so der Physiker. Er hat dazu die Protonen- wanderung „ab initio“ simuliert, was be- deutet, dass er die Bewegung mit kleins- ren. Das Ergebnis könnte die Sicht auf die Energieproduktion in der Zelle verän- dern: „Es muss eine zweite Schicht zwi- schen Zellmembran und Wasser geben, auf der sich die Protonen so schnell wie in Wasser bewegen, während sie an der Membran haften“, sagt Zhang. Die bisher unbekannte Schicht besteht aus Grenz- flächenwasser, einem wegen der Nähe zu einer Oberfläche speziell strukturier- ten Wasser. Wie diese Schicht genau be- schaffen ist, ist eine Frage, die die Bio- physiker weiterhin beschäftigen wird. :: Institute for Advanced Simulation Simulationswissenschaften German Research School

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