Wie Elektronen und Blutzellen fliessen

Die ETH-Professoren Mathieu Luisier vom Institut f¨¹r Integrierte Systeme und Joost VandeVondele, Leiter der Gruppe Nanoscale Simulations an der ETH Z¨¹rich kombinierten mit ihren jeweiligen Teams zwei Softwareprogramme und entwickelten zudem einen neuen Algorithmus, mit dem hybride Computersysteme aus herk?mmlichen CPUs und Graphikprozessoren (GPUs) optimal ausgenutzt werden k?nnen. Damit gelang es ihnen, die Zeit zur Simulation der Nanobauteile um das F¨¹nfzigfache zu verk¨¹rzen und deren Gr?sse auf ¨¹ber 50'000 Atome zu erh?hen. Die Anzahl der Atome entspricht der realen Gr?sse eines Nanobauteils. ?Bis anhin erlaubten die rechenintensiven Modelle in der Regel nur eine Simulation von Systemen bestehend aus maximal 1000 Atomen?, betont Luisier.

Um das Verhalten von Nanobauteilen zu simulieren, m¨¹ssen Quanteneffekte ber¨¹cksichtigt werden, die bei den winzigen Strukturen auftreten. Luisier arbeitet hierf¨¹r seit ¨¹ber zehn Jahren an einer Software namens OMEN. Nun hat sich der Forscher mit VandeVondele zusammen getan, der den sogenannten CP2K-Code mit- und weiterentwickelt hat. Der Code ist darauf spezialisiert, die Verteilung der Elektronen ?ab-initio? ¨C also auf der Grundlage physikalischer Gesetze ohne Einbezug empirischer Daten ¨C, durch sogenannte Wellenfunktionen in einem in sich geschlossenen System zu bestimmen. Ein solches System sind etwa Molek¨¹le, die einen Nano-Transistor aufbauen. Wird an den Transistor jedoch eine Spannung angelegt, durchfliessen ihn die Elektronen. Um deren Transport zu simulieren, berechnet OMEN ihren Fluss sowie die Wechselwirkung zwischen den Elektronen, die den Transistor durchfliessen. Sowohl die ab-initio-Berechnungen der Kristalleigenschaften mit CP2K als auch die des Elektronentransports mit OMEN sind enorm komplex.

Indem nun beide Software-Codes f¨¹r hybride Computersysteme auf dem Rechner Piz Daint optimiert wurden und die Doktoranden Sascha Br¨¹ck und Mauro Calderara einen neuen Algorithmus, den sogenannten Splitsolver, entwickelten, gelang den Forschern die enorme Verk¨¹rzung der Rechenzeit und die Berechnung von Strukturen mit ¨¹ber 50'000 Atomen. Der Splitsolver erm?glicht die parallele Berechnung auf CPUs und GPUs.

?Wir haben die Grenzen im Bereich der Quantentransportsimulationen mit Hilfe von Titan neu definiert?, sagt Luisier. ?Die Simulationen sind so realit?tsnah, dass sie f¨¹r die experimentelle Forschung von Nanobauteilen direkten Nutzen haben.?

In-Silico Lab-on-a-Chip

Das zweite ETH-Forscherteam, das f¨¹r den Gordon Bell Preis nominiert wurde, wird von ETH-Professor Petros Koumoutsakos vom Computational Science & Engineering Laboratory (CSElab) geleitet. In Zusammenarbeit mit Forschern von der Universit¨¤ della Svizzera italiana, aus den USA (Brown University, NVIDIA) und Italien (CNR and University of Rome) konnte das Team auf Titan das Mikrometer feine Fliessen von roten Blutk?rperchen und Tumorzellen durch eine geometrische Anordnung simulieren. Laut den Forschern definiert die Studie die Grenzen der Simulationen von Fliessen durch Strukturen im Mikrometermassstab neu, w?hrend geometrische Details und die Anzahl der Zellen um zwei Gr?ssenordnungen verbessert wurden.

Die Computerwissenschaftler konnten dadurch Laborexperimente (lab-on-a-chip) anderer Forscher nachstellen, die untersuchen, wie sich ¨¹ber solche Verfahren Tumorzellen aus dem Blut herausfiltern lassen.

Wie im Experiment zeigt die Simulation Blut, das durch ein System aus in Reihen angeordneten S?ulen mit einem bestimmten Querschnitt und Gr?sse geleitet wird. Die nur etwa acht Mikrometer grossen roten Blutk?rperchen bewegen sich aufgrund ihrer Bauweise sowie der Geometrie der S?ulen unbeirrt durch diese Anordnungen. Die rund dreimal gr?sseren Tumorzellen jedoch kollidieren wiederholt mit den S?ulen, geraten dadurch in Rotation und driften allm?hlich seitlich aus der Anordnung hinaus. So k?nnen sie aus dem Blutstrom abgetrennt und identifiziert werden.

Die Suche nach einer Tumorzelle im Blut gleiche der Suche nach einer Nadel in einem fliessenden Heuhaufen, sagt Koumoutsakos: In einer Milliarde roter Blutk?rperchen befindet sich eine Tumorzelle. Die Tumorzellen im Blut sind jedoch daf¨¹r verantwortlich, dass 90 Prozent der j?hrlich acht Millionen Krebsopfer an Metastasen sterben. Pro Milliliter Blut hat der Mensch zwischen vier und sechs Milliarden rote Blutk?rperchen. Solche Trennvorrichtungen k?nnten deshalb zur Diagnose genutzt werden, dereinst vielleicht sogar zur Eliminierung von Tumorzellen aus dem Blut.

Das ?In-Silico Lab-on-a-Chip?, wie Koumoutsakos die Simulation bezeichnet, stelle die Laborexperimente nach und st¨¹tze diese. Der ETH-Professor ist davon ¨¹berzeugt, dass solche numerische Simulationen die Pharmaindustrie unterst¨¹tzen k?nnen.

Krebs im Fokus

Koumoutsakos besch?ftigt sich mit seinem Team seit ¨¹ber einem Jahrzehnt mit der Erforschung von Prozessen, die beim Tumorwachstum eine Rolle spielen. Nachdem er erst die Angiogenese simulierte, also wie Tumorzellen das Wachstum von Blutgef?ssen anregen und damit den Transport dieser Zellen in die Blutbahn erm?glichen, war sein n?chstes Ziel, den Blutfluss in den Kapillaren des Blutsystems zu simulieren. Damit wollte er sichtbar machen, wie die Zellen darin zusammenspielen. ?Das Problem ist aber, dass die vom Tumor erzeugten Blutgef?sse so ineinander verwoben sind, dass es dazu keine gute Beschreibung gibt. Deshalb sind wir nicht in der Lage, sie in den Simulationen zu rekonstruieren?, sagt Koumoutsakos.

Nachdem er die realen Experimente zur Separierung von Tumorzellen gesehen hatte, kam ihm die Idee, ¨¹ber diesen Weg das Verhalten der Zellen im Blut zu untersuchen. George Karniadakis von der Brown University hatte das n?tige Knowhow in der Simulation der sogenannten dissipativen Teilchendynamik, mit welcher der Blutfluss als eine Art Sammlung individueller Teilchen simuliert wird. Diego Rossinelli vom CSElab und weitere Teammitglieder f¨¹gten die Ans?tze zu einem Modell zusammen und optimierten Codes, bevor die Simulation auf Titan gelang.