Supercomputer ergänzt Forschungslabor

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Dr. Anselm Horn lässt die Pipetten links liegen und arbeitet mit Unterstützung der AFI stattdessen mit einem Hochleistungsrechner. Ist das Alzheimer-Forschung 2.0? „Heutzutage kommt kein Medikament auf den Markt, bei dessen Entwicklung nicht vorher Computer zum Einsatz kamen“, sagt Horn im exklusiven AFI-Interview.

Portrait des Alzheimer Forschers Dr. Anselm Horn

Herr Dr. Horn, was interessiert Sie an der Alzheimer-Forschung?

Die Alzheimer-Krankheit stellt ein weltweit wachsendes Problem im Gesundheitsbereich dar, das Staat und Gesellschaft mit zunehmend großen ethischen, organisatorischen und ökonomischen Herausforderungen konfrontiert; denn es gibt noch keine wirksame Therapie. Als Naturwissenschaftler an der Schnittstelle zur Medizin bin ich besonders an den Ursachen der Krankheit auf molekularer Ebene interessiert, deren Aufklärung den Grundstein für die gezielte Entwicklung von potentiellen Wirkstoffen legen kann.

Hochleistungsrechner statt Labor: Ist das Alzheimer-Forschung 2.0?

Das Amyloid-beta-Peptid, ein Eiweißstoff der in jedem Menschen vorkommt, hat die Eigenschaft, Aggregate zu bilden. Diese sind aber nicht homogen, sondern es entsteht auch „im Reagenzglas“ eine Vielzahl von unterschiedlich großen Verklumpungen.

Da dieses Eiweiß also experimentell so schwer zu charakterisieren ist, bieten sich Computersimulationen an, bei denen Aggregate genau definierter Größe und Form untersucht werden können. Die Simulation ersetzt nicht das Experiment, sondern ergänzt es, um ein umfassenderes Gesamtbild zu erhalten.

Der Einsatz von computergestützten Methoden in der medizinisch-pharmazeutischen Forschung ist übrigens keine Exotenwissenschaft: Heutzutage kommt kein Medikament auf den Markt, bei dessen Entwicklung nicht vorher Computer zum Einsatz kamen, auch wenn die zugrundeliegenden Methoden in der Pharmaindustrie meist andere sind als bei dem vorliegenden Projekt.

Haben Sie schon einmal mit einem Supercomputer geforscht? Worin besteht der Vorteil?

Die Computersimulationen, die hier zum Einsatz kommen, sind mathematisch betrachtet einfach, aber numerisch aufwändig. Supercomputer bieten die Möglichkeit, die Berechnungen in kleinere Stücke aufzuteilen und parallel abarbeiten zu lassen. Auf diese Weise dauert z.B. eine Berechnung auf 128 Prozessoren eines Supercomputers im Vergleich zu einem Prozessor eines Arbeitsplatzrechners nur 8 Stunden statt eineinhalb Monate. Damit werden viele rechnerische Untersuchungen überhaupt erst möglich.

In der Vergangenheit habe ich bereits mit ähnlichen Simulationsmethoden an den molekularen Grundlagen von BSE (Rinderwahnsinn) und HIV-Resistenzentwicklung geforscht und dabei ebenfalls die Hochleistungsrechnersysteme des Regionalen Rechenzentrums Erlangen verwendet.

Welche Rolle spielen gelöste Salze für Entstehung und Verlauf der Alzheimer-Krankheit?

Vorweg: Auslöser für die Krankheit ist eine Änderung der Form des beteiligten Amyloid-beta-Peptids: Eiweiße besitzen meist eine bestimmte dreidimensionale Gestalt, die für ihre Funktion wichtig ist.

Ändert sich diese Form, z.B. durch äußere Einflüsse, dann können sich auch Funktion und Verhalten ändern. Als äußere Einflüsse kommen hier auch körpereigene Metallsalze in Frage.

Bei meinem Forschungsprojekt geht es jedoch nicht um diesen allerersten Schritt. Vielmehr soll geklärt werden, ob die Salze einen Einfluss auf die Stabilität bestehender Aggregate haben; denn diese dienen als Keimzelle für die Umfaltung und Anlagerung weiterer Amyloid-beta-Einheiten.

Salze bestehen aus geladenen Teilchen, den sogenannten Ionen. Die fibrillären Aggregate von Amyloid-Beta besitzen an ihrer Außenseite negative Ladungen in unmittelbarer Nachbarschaft, was eigentlich eine ungünstige Anordnung darstellt, da sich diese ja abstoßen.

Diese Abstoßung könnte aber durch entgegengesetzt geladene Ionen ausgeglichen werden, so dass die Gesamtstruktur stabiler wird. Eine hohe Konzentration von Metallionen könnte also fibrilläre Aggregate stärken und somit für den Fortgang der Krankheit eine  wichtige Rolle spielen.

Sie erhalten von der AFI etwa 3.500 Euro. Das ist vergleichsweise wenig Geld für ein Forschungsprojekt in der Alzheimer-Forschung. Warum ist es wichtig, dass hier die private Forschungsförderung die Kosten übernimmt?

Das Projekt ist deshalb so günstig, da weder meine eigene Stelle noch die Kosten für die Rechenzeit übernommen werden müssen – eine glückliche Konstellation im Moment. Die Auswertung aller Simulationsdaten beansprucht Zeit: Daten müssen transferiert, kontrolliert und zusammengefasst werden, verschiedenste Auswerteprotokolle sollen auf alle Simulationsergebnisse angewendet werden usw. Manche Auswertungen benötigen selbst wieder gewisse Rechenzeit. Für diese praktischen Tätigkeiten soll dann eine geeignete studentische Hilfskraft eingestellt werden. Vielleicht findet diese dann ja Gefallen an dem Arbeitsgebiet und entscheidet sich für später dafür, zur Master-Arbeit oder Promotion an diesem Thema weiter zu arbeiten.

Warum die private Forschungsförderung hier wichtig ist? Zum einen ist das Antragsvolumen zu gering, als dass es von anderer Seite gefördert werden würde, zumal das Projekt auch einen gewissen Pilot-Charakter besitzt. Andererseits sind die Personalmittel der Arbeitsgruppe Bioinformatik aktuell alle anderweitig gebunden. Ohne die AFI-Förderung könnte das Projekt nicht durchgeführt werden.

Dr. Anselm Horn von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg wird von der Alzheimer Forschung Initiative e.V. mit seinem Projekt „Der Einfluss gelöster Salze auf Beta-Amyloid-Strukturen“  vom 1. November 2012 bis 31. Oktober 2013 mit 3.474 Euro gefördert.

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