Spinnerei Proben Ertrag Einblicke in die Krankheit und die Nutzung von Solarenergie

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

1926, Theodor Svedberg gewann den Nobelpreis in Chemie für eine neuartige Methode der Trennung von Proteinen basiert auf einem Gerät, das er erfunden: die analytische Ultrazentrifuge. Diese Technik hat Einblicke in die Reinheit, Struktur und das Verhalten von Proteinen, DNA und RNA erbracht.

Analytische Ultrazentrifugation Experimente Spin Proben mit sehr hoher Geschwindigkeit die Unterschiede in wie großen Molekülen wie Proteinen, DNA und RNA untersuchen Verhalten in einer bestimmten Lösung. In das Gerät verschiedene Materialien zu verbreiten und setzen sich auf unterschiedliche Weise Aspekte einzelner Moleküle Formen und Größen. Die Methode ist ein wesentlicher Messwerkzeug für Biochemiker geworden.

Analytische Ultrazentrifugation ist auch ein vielseitiges Werkzeug für die Untersuchung der Zusammensetzung von einer Mischung der Moleküle. Sogar Spuren von Verunreinigungen können mit der Methode gelöst werden, und Mischungen zur Ermittlung der Gewichte und Formen der einzelnen Molekül in einer bestimmten Probe analysieren können.

Computerisierung Drehungen

Zunächst, Wissenschaftler mussten die Ergebnisse solcher Experimente manuell zu analysieren, aber mit dem Aufkommen von Computern und hochentwickelten Sensoren in den 1960er Jahren Forscher genauere Möglichkeiten der Bewertung der Versuchsergebnisse entwickelt.

Heutige Systeme können folgen, Abrechnung und diffundierende Moleküle erkennen, wie die Moleküle absorbieren ultraviolettes und sichtbares Licht, der Brechungsindex von Molekülen, und wie sie fluoreszieren. Die Systeme erfassen die resultierende Informationen digital, so dass Computer komplexe Analysen durchzuführen.

Borries Demeler, Associate Professor für Biochemie an der University of Texas Health Sciences Center dient als Direktor des Zentrums für Analytische Ultrazentrifugation makromolekularen Versammlungen. Seit mehr als zwei Jahrzehnten arbeitet an der Kreuzung von der physischen (Spinnerei Proben) und die virtuellen Demeler (Supercomputer Simulationen), neue Methoden zu untersuchen und entwickeln Software um Forscher ihre Analytische Ultrazentrifugation Experimente optimal zu helfen.

Vielzahl von Experimenten

Demeler arbeitet mit Hunderten von Forschern auf der ganzen Welt, einschließlich der Biophysiker Studium der Struktur und Funktion von biologischen Molekülen; Materialwissenschaftler versuchen, effizientere Solarzellen zu machen; und die pharmazeutische Industrie, die Bewertung der Stabilität ihrer Formulierungen.

Seinen größten Einfluss ist jedoch fühlte sich durch die Schaffung des Softwarepakets UltraScan und die Entwicklung des Portals UltraScan LIMS-eine Website, wo Forscher analysieren ihre experimentellen Daten über das Web mit, advanced computing Methoden und Systeme.

Im Jahr 2004 begann Demeler und sein Kollege, Emre Brookes, Programm-Code ändern, damit es auf großen Computer-Cluster ausgeführt werden könnte. Das beschleunigt bis dramatisch die Analyse Rate für Proben. Außerdem aktiviert die Forscher, hoch auflösende Analysemethoden entwickeln diese Adresse eine völlig neue Klasse von Forschungsfragen und die Anwendungen für die Analytische Ultrazentrifugation Methode zu erweitern.

"Wir wissen oft nicht, was wirklich in einer [flüssig] Lösung von einem Mitarbeiter zur Verfügung gestellt wird, und wir müssen das Beste aus unserer Analyse" Demeler erklärt. "Um die Daten passen, simulieren wir viele verschiedene Komponenten, die in der Lösung sein, und Fragen:"wie viel von jeder Komponente in das eigentliche Experiment vorhanden ist?""

Informatik

Demeler und seine Kollegen einige Analysen auf einem kleinen Entwicklung Cluster in seinem Labor, aber für große Simulationen setzen die Forscher auf die Computersysteme des Nationalfonds finanzierte Extreme Science and Engineering Discovery-Umgebung, die leistungsstarke und robuste Sammlung von integrierten, modernen digitalen Ressourcen und Dienstleistungen in der Welt.

Demeler Simulationen verwenden bis zu 14.000 Prozessoren gleichzeitig analytische Verarbeitung von mehr als 10.000 Mal beschleunigt. Während einer einzigen Forschungsphase endet im Jahr 2011 verwendet Demeler 3,5 Millionen Stunden auf der National Science Foundation unterstützt Ranger und Lonestar Supercomputer am Texas Advanced Computing Center computing, Simulationen für die offene Wissenschaftsgemeinschaft durchzuführen.

"Es ist nicht nur für Biochemiker und Biophysiker vorbehalten," sagte Demeler. "Wir könnten arbeiten mit einem Kliniker, Messungen für Werkstoffkunde oder messen die Bindungsstärke eines neuen Medikaments zu seinem Ziel."

Solaren Teilchen

Demeler ist die Zusammenarbeit mit Forschern in Deutschland, fluoreszierende Nanopartikel aus aus Cadmium-Tellurid-Kristalle für den Einsatz in Solar-Panels zu charakterisieren. Mit einem neuen Detektor von Mitarbeitern am Max Planck Institut entwickelte, konnte er hydrodynamische Eigenschaften der Teilchen messen, beobachten ihre individuelle Absorption Spektren und Partikelgröße Absorption Eigenschaften entsprechen.

Ob die Anwendung Nanopartikel für Industrie oder Biomarker im Blut ist, ist Analytische Ultrazentrifugation zusammen mit UltraScan eine unglaublich kraftvolle Methode. Demeler hat die Technologie einer breiten Kohorte von Labor Wissenschaftler zugänglich durch eine einfach zu bedienende Web-basierte Gateway zu entwickeln.

"Der Benutzer muss nur mit den grundlegenden Analyseverfahren und einen Web-Browser vertraut sein, aber die Vertrautheit mit Unix-Supercomputing ist nicht erforderlich," Demeler sagte. "Unsere Nutzer mag dieser Ansatz."

Achtzig-fünf Jahre nach seiner Gründung, weiterhin die Entwicklung der analytischen Ultrazentrifuge. Demeler und Brookes langfristige Traum ist eine Möglichkeit zur Integration aller bekannten Beobachtungsmethoden, einschließlich Röntgen-Kristallographie, kernmagnetische Resonanz-Bildgebung und Kalorimetrie, sehen tiefer als Stand der Technik ermöglicht, ohne die natürlichen Bedingungen, unter denen Moleküle bestehen, aus den Augen verlieren, erstellen.

"Es ist wie ein Bild eines Objekts aus vielen verschiedenen Blickwinkeln, und jedes Mal, wenn Sie ein Bildschirmfoto sehen Sie etwas anderes, die die gesamte hinzufügt," sagte Demeler. "Durch die Kombination von allen, wird das neue Bild Ihnen etwas, was Sie vorher nicht kannten sagen."

Anmerkung der Redaktion: Dargestellt, die Forscher in Behind the Scenes Artikel von der National Science Foundation, der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik unterstützt wurden. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die hinter den Kulissen Archiv.