Dreidimensionale virtuelle Organismen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Generierung virtueller Organismen respektive mit der dreidimensionalen Nachbildung anatomischer Strukturen von Pflanzen, Tieren, Menschen und imaginärer Wesen per Computer. Berücksichtigt werden dabei sowohl die verschiedenen Aspekte der Visualisierung, der Modellierung, der Animation sowie der Wachstums-, Deformations- und Bewegungssimulation. Dazu wird zuerst eine umfassende State-of-the-Art-Analyse konventioneller Methoden zur Organismengenerierung durchgeführt. Im Laufe dieser Analyse werden die Defizite herkömmlicher Verfahren aufgezeigt und damit eine gezielte Anforderungsanalyse für neue Verfahren erstellt. Mit Hilfe dieser Anforderungsanalyse wurde nach neuen Lösungsansätzen gesucht. Besonders hilfreich hat sich in diesem Zusammenhang die Frankfurter Organismus- und Evolutionstheorie erwiesen. Gemäß dieser Theorie stellen Organismen aus biomechanischer Sicht komplexe hydropneumatische Konstruktionen dar. Ihre Körperformen und Bewegungen werden weitgehend durch stabilisierende, kräfteerzeugende und kräfteübertragende Strukturen generiert, die den Gesetzen der klassischen Hydropneumatik folgen. So entstand die Idee, Organismen auf der anatomischen Ebene als eine komplexe Hierarchie unterschiedlicher hydropneumatischer Einheiten anzusehen, welche mechanisch miteinander interagieren. Diese Sichtweise liefert die Grundlage für ein neues biologisches Simulationsmodell. Es erlaubt der Computergraphik, sowohl die Form eines Organismus zu beschreiben als auch sein Verhalten bezüglich seiner Bewegungsabläufe, seiner evolutionären Formveränderungen, seiner Wachstumsprozesse und seiner Reaktion auf externe mechanische Krafteinwirkungen numerisch zu simulieren. Aufbauend auf diesem biologischen Simulationsmodell wurde ein neues Verfahren (Quaoaring) entwickelt und implementiert, das es erlaubt, beliebige organische Einheiten interaktiv in Echtzeit zu modellieren. Gleichzeitig ermöglicht dieses Verfahren die Animation von Bewegungen, Wachstumsprozessen und sogar evolutionären Entwicklungen. Die Animation verhält sich dabei im Wesentlichen biologisch stringent, z.B. wird das interne Volumen während komplexer Bewegungsabläufe konstant gehalten. Die größte Stärke der neuen Modellierungs- und Animationstechnik ist die holistische Verschmelzung des biologischen Simulationsmodells mit einem computergraphischen Geometriemodell. Dieses erlaubt dem Modellierer, biologische Konzepte für die Beschreibung der Form und anderer Attribute einer organischen Einheit zu verwenden. Darüber hinaus ermöglicht es die Animation des geometrischen Modells durch einfache Parameterspezifikation auf einer hohen Abstraktionsebene. Dazu wird ein utorenprozess beschrieben, wie Quaoaring für Modellierungs- und Animationszwecke verwendet werden kann. Es werden Aspekte der prototypischen Implementierung der Quaoaringtechnologie behandelt und über die Ergebnisse berichtet, die bei der Implementierung und der Anwendung dieses Softwareframeworks gewonnen wurden. Schließlich wird die Quaoaringtechnologie in ihrem technologischen Kontext beleuchtet, um ihr Zukunftspotential einzuschätzen

Konzept und Implementierung eines Systems zur Visualisierung von Zelldifferenzierungssimulationen

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zunächst den Stand der Forschung auf dem Gebiet der Zelldifferenzierungssimulatoren und –visualisierungen zu ermitteln. Davon ausgehend wurde ein eigenes Konzept für ein Visualisierungssystem entwickelt. Es wurde in einer prototypischen Implementierung mit dem Titel D-VISION umgesetzt. Die Recherchearbeiten ergaben, dass in der Forschung bisher hauptsächlich biochemische Reaktions-Netzwerke, die mithilfe von Differentialgleichungen gelöst werden, für Zell-Simulationen benutzt werden. Der dabei verwendete Abstraktionsgrad der repräsentierten Zellen ist zu hoch, um die gestellten Anforderungen einer realistischen 3D-Darstellung der Zellen zu erfüllen. Die grundlegende Idee, die Zelldifferenzierung aufgrund ihrer Genexpression also der in den Zellen vorhandenen Substanzen zu beschreiben, wurde als Basis für das Konzept für D-VISION verwendet. Die Daten, die visualisiert werden sollen, sind die Zellen selbst, die Substanzen, die in der Zelle vorhanden sind, Substanzen an der Zellhülle und die Gene, die in einer Zelle aktiv sind. Die Visualisierung wird durch Darstellung von aufeinander folgenden Standbildern vorgenommen, in denen navigiert werden kann. Zellen werden in Form von Kugeln repräsentiert, die, um eine realistischere Ansicht zu erreichen, so deformiert werden, dass sich die Kugeloberflächen aneinander angleichen. Die Deformation bietet nicht nur in der Ansicht von außen ein natürliches Bild. Auch die Möglichkeit, ein Schnittbild durch den Zellhaufen zu erzeugen, ergibt durch die Deformation eine mit realen Mikroskopieaufnahmen vergleichbare Darstellung. Ein solches zweidimensionales Schnittbild kann durch Verschieben der Schnittebene eine stufenlose Fahrt durch die Schichten des simulierten Zellhaufens zeigen. Neben den Zellen selbst, liegt ein besonderes Augenmerk auf der Darstellung von Substanzkonzentrationen. Sie werden durch kleine Objekte (Tiny Cubes) dargestellt. Allerdings unterscheidet sich ihr Einsatz von der bisher verbreiteten Methode, volumetrische Daten durch Farbskalen zu repräsentieren. Sie geben die Stoffmengen allein durch ihre Anzahl wieder. Um Zusammenhänge mit der Zelldifferenzierung erkennbar zu machen, können bis zu drei verschiedene Stoffe gleichzeitig angezeigt werden. Der Benutzer hat die Möglichkeit, Regeln bezüglich des Zustandes von Zellen zu formulieren. Die so definierten Zellklassen, fassen Zellen gleichen Typs zusammen und ermöglichen so die Darstellung von Zelldifferenzierung. D-VISION wurde konzipiert, um auch mit Simulatoren zusammen zu arbeiten, die Grid Computing für ihre Berechnungen nutzen. Ein separater Datenaufbereiter soll die Simulationsdaten verwalten. Der entwickelte Prototyp ist flexibel genug, um auch mit einfacheren Simulatoren zusammenzuarbeiten. Auf welchem Weg die visualisierten Daten gewonnen werden, spielt keine Rolle. Auch reine Messwerte, können zu guten Bildern führen

Entwicklung und Evaluierung neuer Bioreaktorkonzepte für phototrophe Mikroorganismen: Entwicklung und Evaluierung neuer Bioreaktorkonzepte für phototrophe Mikroorganismen

Die Photobiotechnologie nutzt photosynthesegetriebene Bioprozesse zur nachhaltigen Synthese von Wertstoffen und Energieträgern. Diese Bioprozesse rücken vor allem durch die stoffliche Nutzung von CO2 als Kohlenstoff- und Licht als regenerative Energiequelle in den Fokus von Forschung und Entwicklung. Trotz der enormen Vielfalt von geschätzten 500.000 Algenspezies werden zurzeit nur ca. 15 Mikro- und 220 Makroalgen technisch genutzt. Dieser Umstand ist u.a. dem geringen Prozessverständnis und den spezifischen Anforderungen der photobiotechnologische Prozesse an die technischen Systeme geschuldet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Kultivierungssysteme für die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen Rhodobacter sphaeroides DSM158, Chlamydomonas reinhardtii 11.32b und Chlorella sorokiniana UTEX1230 entwickelt und evaluiert. Die photofermentative Wasserstoffproduktion mittels R. sphaeroides DSM158 erfolgte in einem eigens dafür konzipierten gerührten Halogen-Photobioreaktor durchgeführt. Im Satzbetrieb wurde der Einfluss des volumetrischen Leistungseintrages (P0/VL) und der mittlere Bestrahlungsstärke (I0) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass R. sphaeroides DSM158 bei einer durchschnittlichen I0 von 2250 W m-2 und einem P0/VL von 0,55 kW m-3 im Satzbetrieb eine maximale Wasserstoffproduktionsrate (rH2) von 195 mL L-1 h-1 erzielt. Das Reaktorsystem wurde mittels optischer Ray Tracing Simulation, einer empirischer Simulation der Strahlungsverteilung und Computational Fluid Dynamics (CFD) charakterisiert, um die Prozessbedingungen für R. sphaeroides DSM158 zu analysieren. Der photofermentative Prozess wurde in ein kontinuierliches Verfahren überführt, welches unter optimalen Bedingungen von I0 = 2250 W m-1, einer Durchflussrate von 0,096 h-1 und einem C:N-Verhältnis von ca. 22,5 eine rH2 von 170,5 mL L-1 h-1 lieferte. Für Mikroalgen wurden Kultivierungssysteme für Suspensions- und immobilisierte Kulturen entwickelt und charakterisiert. Zur Kultivierung immobilisierter Mikroalgen wurde die Methode des Green Bioprinting etabliert, die auf der 3D-Bioprinting Technologie des Tissue Engineerings beruht. Bei diesem Verfahren werden Algenzellen über einen Extrusionsprozess in ein strukturiertes Hydrogel eingebettet. In vergleichenden Studien zum Wachstum in Suspensionskulturen konnte gezeigt werden, dass die Hydrogelumgebung ideale Bedingungen für das photoautotrophe Wachstum und die Zellviabilität von C. reinhardtii 11.32b und C. sorokiniana UTEX1230 liefert. Der MicrOLED-Bioreaktor bezeichnet ein miniaturisiertes Flat-Panel-Airlift (FPA)-Bioreaktor-system mit 15 mL Arbeitsvolumen und nichtinvasiver optischer Prozessüberwachung in Bezug auf zellspezifische Parameter (Zelldichte und Fluoreszenz) und Suspensionsparameter (pH, dO2 und dCO2). Hydrodynamische Untersuchungen der miniaturisierten FPA-Kultivierungskammer zeigten vergleichbare und damit skalierbare Eigenschaften zu Labor- und Produktions-FPA-Bioreaktoren. Im Zuge des MicrOLED-Bioreaktors wurden erstmals organische Leuchtdioden für den Einsatz in Photobioreaktoren verwendet und charakterisiert. Die geometrisch komplexen Bioreaktorkomponenten wurden mittels additiver Fertigungstechnologien aus Polyamid hergestellt und erlauben die Integration der optischen Elemente zur Überwachung des Bioprozesses in Echtzeit

Erkenntnisgewinnn durch Virtuelle Realitäten

Virtual reality will gain a more and more important role in our everyday life. So it is very important to understand fully the impact and influence virtual reality will have on or view of the world. This article reveals that the interdependencies between the real space and the virtual space are much more subtle and profound then on first sight. Especially the value of several mathematical, physical and biological models and simulation methodologies will be reestimated by the use of virtual reality in the long term. As an example the article describes the historical chain from quaternions to quaoaring and how this may lead to a paradigm change in biology

Datenintegration und Visualisierung metabolischer Netze

In the present thesis, a holistic system of applications has been developed which allows the user to visualize, edit and analyze metabolic networks. The pathway editor MapOmnia is one application of this system, which allows the visualization and manipulation of metabolic networks. To give an intuitive handling, the application supports application-typical functions such as "drag and drop" and "copy and paste". It provides numerous layout functions and supports many different file formats for data exchange. An implemented database-interface allows access to information on enzymes and metabolic pathways of BRENDA. Thus a graphical interface to the enzymes, reactions, metabolites of BRENDA was created. The presentation is fast, even for large networks. This thesis presents concepts and methods in order to enable users to work flexibly and intuitively with metabolic networks and to analyze them. A key goal of this thesis is, to map data from the omik-sub-disciplines onto generated interaction networks. The implementation of a modeling tool allows the user to easily generate new networks from established knowledge. Users gain a deeper understanding of biochemical processes by using implemented analysis methods, such as "Shortest Path" calculations. A scripting interface also allows the interactive analysis of networks. Methods of the program can be used within scripts at run time, for example, to automate tasks, to perform queries and to create networks. An interface was established by providing a TCP/IP-server which can access the versatile functions of MapOmnia. This concept allows the implementation of BRIME website that offers an intuitive approach to metabolic networks from BRENDA. This web application provides an integrated search functionality to search substances, enzymes and total- and partial-reactions. The user can map metabolic or other "-ome" data to the generic overall map, but also the network-based visualization of flow data is supported.In der vorliegenden Dissertation wurde ein System von Applikationen entwickelt, mit dem der Anwender metabolische Netzwerke visualisieren, editieren und analysieren kann. Hierzu zählt der Pathway-Editor MapOmnia, der die Visualisierung und Bearbeitung von metabolischen Netzwerken erlaubt. Die Applikation unterstützt anwendungstypische Funktionen wie „Drag And Drop“ und „Copy And Paste“, hat zahlreiche Ausrichtungs-Funktionen implementiert und unterstützt verschiedene Dateiformate für den Datenaustausch. Eine Schnittstelle erlaubt es, auf Informationen zu Enzymen und Stoffwechselwegen von BRENDA zuzugreifen und MapOmnia bietet somit ein grafisches Interface zu Enzymen, Reaktionen und Metaboliten von BRENDA. Die Darstellung ist auch bei großen Netzwerken performant. Die Dissertation stellt Konzepte und Methoden vor, um flexibel und intuitiv mit metabolischen Netzwerken zu arbeiten und diese zu analysieren. Daten aus den omik-Teildisziplinen können auf Netzwerke abgebildet werden. Ein Modellierungswerkzeug erlaubt es, neue Netzwerke aus etabliertem Wissen zu erstellen. Anwender erlangen ein tiefergehendes Verständnis biochemischer Vorgänge durch implementierte Analysemethoden, wie etwa kürzeste Wege Berechnungen. Eine Skript-Schnittstelle ermöglicht es, Methoden des Programms zur Laufzeit zu nutzen, um z.B. Aufgaben zu automatisieren, Abfragen durchzuführen oder Netzwerke zu erstellen. Durch Bereitstellung eines TCP/IP-Servers wurde eine Schnittstelle etabliert, welche auf die Funktionen von MapOmnia zugreifen kann. Die Schnittstelle erlaubt die Umsetzung der Webpräsenz BRIME, die einen intuitiven Zugang zu metabolischen Netzwerken aus BRENDA bietet. Die Webapplikation stellt die Suche von Substanzen, Enzymen sowie gesamter Reaktionen und Teilreaktionen bereit. Der Anwender kann „–ome“ Daten auf die eine Gesamtstoffwechselkarte abbilden, aber auch die Visualisierung von Flussdaten wird unterstützt

Fakultät Informatik (2017) / Technische Universität Dresden

Informationen über die Fakultät Informatik der TU Dresden, Daten und Fakten sowie eine Auswahl aktueller Forschungsprojekte, 2017Information about the Faculty of Computer Science of the Technische Universität Dresden, data and facts and a selection of current research projects, 201

Analyse von full-waveform Flugzeuglaserscannerdaten zur volumetrischen Repräsentation in Umweltanwendungen

Wissenschaftliche Untersuchungen von terrestrischen und aquatischen Ökosystemen erfordern präzise Informationen über die dreidimensionale Struktur des ökologischen Systems. Full-waveform Flugzeuglaserscannerdaten eignen sich hervorragend zur Charakterisierung von Ökosystemen und bilden eine ideale Basis für die vollständige volumetrische Repräsentation der Vegetations- und Gewässerstruktur in einem Voxelraum. Die Voxelattribute werden dabei aus der digitalisierten Wellenform abgeleitet. Jeder emittierte Laserpuls wird von Dämpfungseffekten beeinflusst, die durch Teilreflexionen auf seinem Weg durch die unterschiedlichen Vegetations- oder Wasserschichten entstehen. Dadurch ist die Struktur im unteren Bereich der empfangenen Rohsignale unterrepräsentiert. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten innovativen Methoden zur Analyse von full-waveform Daten ermöglichen die Generierung einer radiometrisch korrigierten Voxelraumrepräsentation. Voraussetzung dafür ist die numerisch stabile Rekonstruktion des effektiven differentiellen Rückstreuquerschnitts mit geeigneten Entfaltungs- und Regularisierungsverfahren. Das Kernstück der Analyse bildet die Beschreibung der Signaldämpfung mit Hilfe geeigneter Modelle. Auf Grundlage dieser Modelle wurden neuartige Korrekturverfahren zur Kompensation der Signaldämpfung erarbeitet, wobei der Korrekturterm direkt aus dem differentiellen Rückstreuquerschnitt abgeleitet wird. Die Grundidee der entwickelten Methode ist das schrittweise Anheben der Signalintensität in Abhängigkeit von der individuellen Historie jedes Laserpulses. Die Resultate der vorliegenden Arbeit tragen dazu bei, die in full-waveform Daten enthaltenen Informationen über die Vegetations- und Gewässerstruktur zugänglich zu machen. Weiterhin zeigen die hier präsentierten Ergebnisse, dass die Limitierungen bestehender Auswertemethoden, welche weitgehend auf die Extraktion diskreter Maxima und die Erzeugung volumetrischer Repräsentationen aus diskreten 3D Punktwolken beschränkt sind, überwunden werden können.The scientific investigation of terrestrial and aquatic ecosystems requires precise information on the three-dimensional structure of the ecologic system. Full-waveform airborne laser scanner data are an ideal basis for the complete volumetric representation of vegetation and water structure in a voxel space. Due to attenuation effects, caused by partial reflections during the laser pulse propagation through the vegetation or water column, each individual laser pulse echo is significantly modified. As a result, the structure in the lower parts of the vegetation or water column is underrepresented in the digitized waveform. Within this research, novel and innovative methods were developed, which enable the generation of a radiometrically correct voxel space representation. Therefore, a numerically stable reconstruction of the effective differential backscattering cross section utilizing appropriate deconvolution and regularization techniques is required. The essential element of the analysis is the description of the signal attenuation using applicable mathematical models. For this purpose, novel correction methods compensating the signal attenuation based on these models were developed. The correction term is directly derived from the differential backscatter cross section. The basic idea is a gradually increase of the signal amplitudes depending on the individual history of each laser pulse. The results gained in this work contribute to an improved access to the information on vegetation and water structure, contained in full-waveform laser scanner data. Furthermore, it is possible to overcome limitations of existing approaches, which are mainly based on the extraction of discrete maxima

From genome to model: Imporved quality of enzyme funktion prection and mapping of the information in a metabolic network

Die Systembiologie versucht Organismen in ihrer Gesamtheit zu verstehen. Hierfür werden Modelle von Organismen erstellt und anschließend analysiert. Um das metabolische Verhalten eines Organismus simulieren zu können, ist es essentiell, einen umfassenden Überblick über seinen Vorrat an Enzymen zu haben. Hierfür kann man auf die Genomannotationen von entsprechenden Datenbanken zurückgreifen. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass die Annotationen dieser Datenbanken nicht immer identisch sind. Somit ergibt sich die Schwierigkeit zu entscheiden, welche der Informationen als richtig angesehen wird. Auch konnte gezeigt werden, dass nur mit den kombinierten Daten mehrerer Quellen eine umfassende Informationsabdeckung erreicht werden konnte. Um ein umfassendes Bild des Enzymvorrats eines Organismus zu erhalten, wurde das Programm EnzymeDetector entwickelt. Es liefert eine integrierte Genomannotation, welche den aktuellen Wissensstand repräsentiert. Die zusammengeführten Annotationsquellen werden relativ zueinander gewertet basierend auf einer Auswertung der Quellen gegen einen Wahrheitswert. Nur so ist es möglich zu entscheiden, welche der gefundenen Annotationen für ein Gen die richtige ist. Die Daten aus dem EnzymeDetector können dann auf der mitentwickelten Stoffwechselkarte visualisiert werden. Dies erleichtert die Auswertung der Daten und das Auffinden von Lücken im Stoffwechsel im Zuge der Modellierung. Durch den Zusammenschluss der vorgestellten Programme wird das Erstellen von Modellen basierend auf der Genomannotation erleichtert. Es können Schritte automatisiert ausgeführt werden, die vorher zeitaufwendig manuell erledigt werden mussten. Die Integration der Vielzahl an Datenquellen wäre manuell kaum realisierbar. Auch wenn weiterhin noch eine manuelle Erweiterung der Genomannotation vonnöten ist, so bieten die Programme doch eine große Hilfe.Systems biology tries to understand organisms as a whole. For this goal, models of organisms are built and subsequently analysed. But to simulate the metabolic behaviour of an organism, it is crucial to have a comprehensive overview of its enzyme pool. Genome annotations from appropriate databases can be used for this purpose. However, the genome annotations from those databases are not always identical. This leads to the difficult task of determining which annotation is correct. Furthermore, it could be shown that only by using data integrated from several annotation sources, the expected value of one-third enzyme producing genes per genome could be achieved. The program EnzymeDetector was developed in order to gain a comprehensive picture of the enzyme pool of an organism. It provides an integrated genome annotation that represents the up-to-date level of knowledge. The integrated annotation sources are evaluated in relation to one another, based on an evaluation of the sources against a standard of truth. Only then it is possible to determine, which annotation is correct. The data from the program EnzymeDetector can be visualised on the co-developed pathway map. This map facilitates the interpretation of the data and the identification of pathway gaps. The combination of these programs makes the development of models based on genome annotation much easier. Steps can be performed automatically that before had to be done in a time consuming process by hand. Even if a manual refinement of the genome annotation is necessary, the programs provide a basic model that can be worked with and thereby are a big help

Actindynamik und -regulation in dem filamentösen Pilz Aspergillus nidulans

Im Zuge dieser Dissertation wurde die Actindynamik und -regulation in dem filamentösen Pilz Aspergillus nidulans untersucht. Hierbei wurde die Actindynamik mit Hilfe der Marker TpmA und Lifeact ermittelt. Zudem wurde der Zusammenhang zwischen dem Actincytoskelett und anderen Polaritätsfaktoren, wie Mikrotubuli, Zellendmarkern, Septinen und der Calciumkonzentration erforscht. Experimente zur hochauflösenden Mikroskopie von Mikrotubuli brachten zudem Erkenntnisse zur Mikrotubuli-Bündelung