Postdoc Thomas Kjærgaard har netop fået bevilget 40 mio. regnetimer – svarende til ca. 10 mio. kr. – på den franske supercomputer Curie. I næste måned går det løs på den store regnemaskine, hvor den unge prismodtager skal regne på proteiner kaldet neurotransmitter-transportere.

26.02.2014 | Ulla Vibeke Hjuler

Postdoc Thomas Kjærgaard skal regne på proteiner på supercomputer i Paris. (Foto: Ulla Vibeke Hjuler)

Proteinet LeuT og Leucin. Leucin ses i begge lommer (i hhv. orange og cyan). (Billede: Julie Grouleff)

Supercomputeren Curie er pt. den 20. største supercomputer i verden – og den 6. største i Europa. Den har 77.184 ”cores” (kerner), og bevillingen svarer til, at Thomas Kjærgaard får stillet computeren til rådighed i 22 dage!

Det er en bevilling via PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe), som har givet Thomas Kjærgaard de mange regnetimer. PRACE er et fælleseuropæisk forsknings- og erhvervsprogram finansieret af EC (Europa-kommissionen), hvor forskere fra hele verden kan søge om adgang til de største europæiske regneanlæg. I denne omgang var der 141 ansøgere, hvoraf 44 fik tildelt regnebevillinger. Thomas Kjærgaards bevilling løber fra d. 4. marts 2014 til d. 3. marts 2015.

Forskning skal hjælpe med at finde medicin

Et nøjagtigt kendskab til såkaldte ikke-kovalente vekselvirkninger – dvs. vekselvirkningen mellem atomer som ikke er bundet sammen af kemiske bindinger, fx atomer fra to forskellige molekyler såsom proteinet og liganden er den bestemmende faktor for protein-ligand-interaktionen og særligt vigtigt, når man skal beregne, hvordan medikamenter binder sig til proteiner. Liganden er oftest et lille molekyle, der danner et kompleks med et biomolekyle, så det opfylder et biologisk formål. Visse proteiner, kaldet neurotransmitter-transportere, er ansvarlige for reguleringen af niveauet af neurotransmittere i hjernen. Disse proteiner er hovedmålet for psykostimulanser, antidepressive midler og medikamenter, der virker mod fx angstanfald, fedme og ADHD. Forskningen kan forhåbentlig være med til at give svaret på, hvad der skal til, for at medicin binder til denne type af proteiner.

Fra computerkode til molekylebindinger

Thomas Kjærgaard arbejder sammen med Frank Jensen, Institut for Kemi, AU, der har stor erfaring med ”force-field”-metoder. ”Force field” er en teoretisk model, der bruger simple udtryk fra klassisk mekanik og parametre fra eksperimenter og teori til at beregne energier og strukturer af store molekyler. ”Force field”-metoder er beregningsmæssigt hurtige, men de har ikke den samme høje nøjagtighed som fulde kvantemekaniske beregninger. Metoden udviklet i Aarhus har potentialet til at lave meget nøjagtige kvantekemiske beregninger på proteiner og kan forbedre beskrivelsen af de ikke-kovalente vekselvirkninger, der bliver brugt i ”force field”-metoderne.

Thomas Kjærgaard skal altså regne på, hvordan ligander binder sig til proteiner – nærmere betegnet er det proteinet LeuT, han skal kigge på.

Teoretisk kemi er en slags 3-fasesystem, fortæller Thomas Kjærgaard: ” I første fase laver vi de teoretiske udledninger. Anden fase er selve computer-programmeringen, hvor vi oversætter teori til praktisk computer-kode/software-program. I den tredje og sidste fase foretager vi beregninger og laver dataanalyse”. Computer-programmet kan beregne mange forskellige kemiske egenskaber som fx absorptionsspektre eller simple energiforskelle. I forbindelse med bevillingen skal der udregnes fire forskellige energier: 1) Ingen leucin-ligand bundet til LeuT, 2) leucin-ligand bundet til et af to mulige bindingssteder, 3) leucin-ligand bundet til det andet af to mulige bindingssteder og 4) en leucin-ligand bundet til hver af de to bindingslommer i proteinet.

Nødvendigt med ”hjemmearbejde”

Når gruppen laver computer-programmering sørger de for at udarbejde programmerne, så de udnytter supercomputernes kapacitet bedst muligt. Hvis programmerne ikke er tilpassede til supercomputeren, risikerer man, at en større eller mindre del af maskinens regnekraft ikke udnyttes, hvorved beregningen tager længere tid, og man naturligvis ikke udnytter maskinens potentiale. Titan – verdens anden største computer – kører fx på en kombination af CPU’er og såkaldte acceleratorer, mens Curie udelukkende kører på CPU’er. Thomas Kjærgaard og hans kolleger konstruerer deres programmer, så de kan køre på begge typer computere. Arbejdet med at optimere programmet, så de udnytter supercomputerens kapacitet maksimalt, er bl.a. lavet på en ganske ”lille” supercomputer i en kælder på AU, Grendel. Grendel har ca. 1.760 cores, dvs. godt 43 gange færre end Curie, og derfor prioriteres små jobs på Grendel, da brugere med store jobs ellers optager maskinen i lang tid.

Thomas Kjærgaard er tilknyttet centret qLEAP (Center for Teoretisk Kemi), som arbejder med teoretisk kemi med særligt fokus på at udvikle kvantemekaniske metoder for store molekylære systemer med meget høj nøjagtighed. Han udvikler programmer og gør dem hurtigere og bedre.

Eller som han selv siger: ”Jeg laver en slags ”værktøjskasse” til brugerne, som ved hjælp af de udviklede programmer kan afprøve deres teorier og få dem be- eller afkræftet”. Hans forskning er en kombination af computervidenskab, molekylefysik, kemi og biokemi.

Kontakt

Thomas Kjærgaard, Institut for Kemi, Aarhus Universitet, tlf. 51239390, mail: tkjaergaardchem@gmail.com