Interactive simulation and visualisation for the computerised biochemistry

Die moderne Biochemie ist eine Wissenschaft, die sich im Wandel befindet. Während die bisherige Forschung sehr stark experimentell geprägt ist, existiert eine theoretische Biologie, analog zur theoretischen Chemie, nur in Ansätzen. Trotzdem wandelt sich auch diese Wissenschaft hin zu einer stärkeren Einbindung theoretischer Ansätze. Der Grund hierfür liegt in der Betrachtung von zunehmend komplexeren Systemen. So beschäftigt man sich in der Systembiologie, einem Teilbereich der Biochemie, unter anderem mit der Aufklärung komplexer Reaktionsnetzwerke. Während Ausschnitte dieser Netzwerke weiterhin experimentell aufgeklärt und verstanden werden, lässt sich das zusammenhängende Bild zunehmend nur noch durch eine theoretisch geprägte Modellbildung fassen. Darüber hinaus zeigen neuere Forschungsergebnisse die Bedeutung der Tatsache, dass Moleküle, Zellen und Zellhaufen, also wichtige Forschungsubjekte der Biochmie, dreidimensionale Gebilde sind – eine Tatsache, die bei der Modellbildung berücksichtigt werden muss. Eine Antwort auf die genannten Herausforderungen ist der konzertierte Einsatz von Simulation und Visualisierung als Mittel des Erkenntnisgewinns. Damit ist die Informatik gefordert entsprechende dedizierte Werkzeuge zu entwickeln, die Simulation, Visualisierung und Interaktion im Kontext des von der Anwendungsdisziplin gesetzten räumlich-zeitlichen Problemkreises miteinander verbinden. In dieser Arbeit wird ein integriertes Konzept zu Simulation, Interaktivität und Visualisierung vorgelegt, das auf einer Anforderungsanalyse in Bezug auf Anforderungen an die Simulation und Anforderungen an die Interaktivität und Visualisierung basiert. Zur Lösung der aufgeworfenen Probleme wird ein „Baukastensystem“ auf Basis von Multi-Agenten-Systemen vorgeschlagen. Die Auswahl des geeigneten Simulationsverfahrens, z. B. die Auswahl eines stochastischen Verfahrens gegenüber einem deterministischen Verfahrens, wird so zur Auswahl eines Bausteins, wobei gezeigt wird, wie z. B. mit Hilfe von Regeln die Auswahl auch automatisiert werden kann. Ebenso wird gezeigt, wie man „Baussteine“ auch im räumlichen Sinne verstehen kann, als Dinge, die in einem dreidimensionalen Kontext einen bestimmten Raum einnehmen und die, in ihrer Gesamtheit betrachtet, den Beobachtungsraum der Simulation ausfüllen. Diese Bausteine finden sich entsprechend ebenfalls im Kontext der Interaktion wieder. Ein wichtiger Aspekt in diesem Baukastenkonzept ist die Frage der Kommunikationsstruktur und des Kommunikationsprotokolls, für den ein Vorschlag erarbeitet wird. Das entwickelte Gesamtkonzept besteht aus zwei Teilen: Einem Konzept für Ein- und Ausgabegeräte mit einer gemeinsamen Metapher, die die Geräte logisch in den Anwendungskontext einbettet und einem Simulations- und Visualisierungskonzept auf der Basis der Kopplung heterogener intelligenter Agenten in eine gemeinsame Simulationsumgebung. Hierfür wurde ein spezieller Dialekt einer Agentenkommunikationssprache entwickelt, der dabei insbesondere den Aspekt der dreidimensionalen Visualierung einer solchen Simulation berücksichtigt.Modern biochemistry is a science is changing rapidly. While traditional research in this field is characterised by experimental studies, there is a growing interest in the inclusion computerised, model and simulation based methodologies. Although the objects of research are three dimensional entities, like molecules, cells etc. and a number of phenomena within these entities are identified as three dimensional, many models used nowadays abstract from this three-dimensionality. This is, at least to a significant part, due to the lack of dedicated visualisation and simulation tools. This thesis presents an integrated concept for the interactive simulation and visualisation in the biochemistry domain of molecular modelling, systems biology and multi-cellular structures which is based on a thorough requirements analysis. The concept consists of a modular system based on multi-agent methodologies. It is shown how this system can be used to couple heterogeneous simulation models and how three-dimensional structures can be represented in a modular way. These modular building blocks are revisited in the context of the inteactive visulisation of simulation studies. The concept is based on a newly developed agent communication language dialect. The implementation of the concept is twofold: a new I/O device, the virtual glove box, allowes for an intuitive approach to the simulation infrastructure, while several integrated software systems built on the communication structure provide a suited simulation and visualisation infrastructure wich caters for the needs of simulating three-dimensional phenomena

Dresdner Universitätsjournal

"Dresdner Universitätsjournal" vom 30. Mai 200

Dresdner Universitätsjournal

Ausgabe vom 11. November 200

Dimerisierung der Taspase1 ist eine Voraussetzung für ihre funktionelle Aktivierung

Taspase1 ist eine Threonin-Aspartase, die das MLL-Protein an zwei konservierten Erkennungssequenzen (CS1 und CS2) hydrolysiert. Die daraus entstehenden Spaltprodukte, p320N und p180C bilden ein stabiles Heterodimer und fügen sich mit zahlreichen Proteinen zu einem Multiproteinkomplex zusammen, der die epigenetischen Prozesse während der Embryogenese, Zellzyklus und Stammzell-Wachstum steuert. Der MLL-Komplex weist eine spezifische Histon-Methyltransferase-Aktivität für Lysin-4 des Histon 3 Proteins auf (H3K4me3). Diese spezifische Aktivität hält ein Muster der aktiven Gene während der Entwicklung und Zelldifferenzierung aufrecht. Das AF4-MLL Fusionsprotein, welches durch die chromosomale Translokation t(4;11) gebildet wird, ist ebenfalls ein Substrat von Taspase1. Die Hydrolyse dieses Fusionsproteins führt ebenfalls zu Spaltprodukten, die zunächst miteinander ein Heterodimer bilden, um anschliessend einen onkogenen Multiproteinkomplex auszubilden. Dieser Komplex scheint hämatopoietische Stammzellen zu "reprogrammieren" und den Ausbruch einer lymphoblastischen Leukämie auszulösen. Die Aktivität der Taspase1 selbst wird durch Eigen-Proteolyse reguliert. Es wird zunächst als Proenzym (p50) hergestellt, das anschliessend durch Autoproteolyse in die enzymatisch aktive Form konvertiert wird. Taspase1 ist ein enzymatisch strikt kontrolliertes Enzym mit geringer Substratanzahl. Neben MLL gibt es nur wenige, bekannte Substrate; allerdings scheint Taspase1 in den Zellen solider Tumoren überexprimiert zu sein. Daraus kann postuliert werden, dass Taspase1/MLL-Aktivität für diese Tumorarten von bedeutung ist. Taspase1 ist die einzige bislang bekannte Protease in Säugerzellen, die dazu befähigt ist, das Leukämie-spezifische AF4-MLL proteolytisch zu spalten und damit seine onkogenen Eigenschaften zu aktivieren. Eine spezifische Inhibierung der Taspase1 könnte deshalb eine mögliche Methode zur Therapie von t(4;11)-Leukämie darstellen. Aus diesem Grund war Taspase1 als ein potentielles Wirkstoffziel interessant und wurde im Rahmen dieser Arbeit genauer untersucht. Um die Funktionsweise von Taspase1 zu untersuchen, wurde die 2005 veröffentlichte Kristallstruktur der Taspase1 als Grundlage für alle weiteren Arbeiten verwendet. Da die Struktur allerdings nur unvollständig aufgelöst war, wurden die unaufgelösten Bereiche mittels bioinformatischer Tools in Kooperation mit Tim Geppert (Arbeitskreis von Prof. Dr. Gisbert Schneider) modelliert. Die Modellierung führte zu einem detaillierteren Modell des Taspase1-Proenzyms, also dem Zustand vor der autokatalytischen Aktivierung. Taspase1 weist interessanterweise nur Homologien zu L-Asparaginasen-2 (Familie der Hydrolasen), darunter Glycosylasparaginase, auf. Glycosylasparaginase durchläuft ebenfalls einen Autokatalyse-Prozess, allerdings nach einem N-O-Acyl-shift-Mechanismus. Daher wurde Taspase1 zunächst anhand geeigneter Experimente daraufhin überprüft, ob hier ebenso ein solcher Mechanismus für die Autokatalyse in Betracht kommt. Allerdings widerlegten die durchgeführten Experimente diese Vermutung. Um die molekulare Funktionsweise der Taspase1 zu eruieren, wurde nun das modellierte Taspase1-Proenzym verwendet. Dies erlaubte die Identifizierung von kritischen Aminosäuren. Durch Mutationsanalysen konnte so die Funktion von Taspase1 aufgeklärt werden. So wurde ein intrinsischer Serin-Protease-Mechanismus für den Prozess der Autokatalyse entdeckt. Dabei spielt Serin-291 - unmittelbar in der Nähe des katalytischen Zentrums - eine wesentliche Rolle. Anhand weiterer Mutationsanalysen konnte dann schrittweise der Aktivierungsmechanismus von Taspase1 aufgeklärt werden. Dabei scheint die Homodimerisierung zweier Taspase1- Proenzyme der wesentliche Schlüssel für die vollständige Aktivierung der Taspase1 zu sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Aminosäuren Tryptophan-173, Arginin-262, und Glutaminsäure-295 als kritische Aminosäuren identifiziert. Weiterhin konnte anhand der funktionellen Analyse aller Mutanten zuletzt eine trans-dominant-negative Taspase1-Variante (C163E-S291A; tdn-TASP1) hergestellt werden. Das proenzymatische Monomer dieser Mutante ist dabei befähigt, mit einem Wildtyp-Taspase1-Monomer zu heterodimerisieren und seine Aktivität vollständig zu inhibieren. Die Funktion dieser trans-dominant-negativen Mutante validierte den in dieser Arbeit postulierten Aktivierungsmechanismus der Taspase1, der nun zukünftig für ein rationales Wirkstoff-Design verwendet werden kann

Jahresforschungsbericht / Technische Universität Dresden

Der Forschungsbericht vermittelt einen Einblick in die vielfältige, leistungsfähige und interdisziplinäre Forschungslandschaft an der Technischen Universität Dresden.:1. DIE FORSCHUNG AN DER TECHNISCHEN UNIVERSITÄT DRESDEN IM ÜBERBLICK 1.1. Einführung des Rektors 8 1.2. Die Forschungs-Profillinien an der TU Dresden 13 1.3. Die Forschung aus der Sicht der Fakultäten 19 Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften 19 Philosophische Fakultät 36 Fakultät Sprach-, Literatur- und Kulturwissenschaften 38 Fakultät Erziehungswissenschaften 39 Juristische Fakultät 42 Fakultät Wirtschaftswissenschaften 45 Fakultät Informatik 47 Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik 51 Fakultät Maschinenwesen 54 Fakultät Bauingenieurwesen 55 Fakultät Architektur 58 Fakultät Verkehrswissenschaften 62 Fakultät Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften 65 Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus und Universitätsklinikum Carl Gustav Carus an der Technischen Universität Dresden 72 1.4. Auf einen Blick: Die Forschungsaktivitäten im Berichtsjahr 2005 76 Interdisziplinäre Projekte (Kurzfassung) 79 Stiftungsprofessuren 81 Kompetenzzentren 91 HBFG-Großgeräte im Jahr 2005 97 Drittmittelbilanz 99 Technologietransfer: Patente und Ausgründungen 103 GWT-TUD GmbH 105 Anteil von Frauen an der Forschung 105 2. GROSSE INTERDISZIPLINÄRE FORSCHUNGSPROJEKTE 109 2.1. Sonderforschungsbereiche 110 Sonderforschungsbereich 287 »Reaktive Polymere in nichthomogenen Systemen, in Schmelzen und an Grenzflächen« 111 Sonderforschungsbereich 463 »Seltenerd-Übergangsmetallverbindungen: Struktur, Magnetismus und Transport« 115 Sonderforschungsbereich 537 »Institutionalität und Geschichtlichkeit« 123 Sonderforschungsbereich 528 »Textile Bewehrungen zur bautechnischen Verstärkung und Instandsetzung« 132 Sonderforschungsbereich 609 »Elektromagnetische Strömungsbeeinflussung in Metallurgie, Kristallzüchtung und Elektrochemie« 136 Sonderforschungsbereich 639 »Textilverstärkte Verbundkomponenten für funktionsintegrierende Mischbauweisen bei komplexen Leichtbauanwendungen« 141 Sonderforschungsbereich 655 »Cells into tissue: Stem cell and progenitor commitment and interactions during tissue formation« 145 Sonderforschungsbereich / Transregio 6031 »Membrane-microdomains in their role in human disease - Membran-Mikrodomänen und ihre Rolle bei Erkrankungen des Menschen« 151 2.2. Graduiertenkollegs 155 Graduiertenkolleg 334 »Spezifikation diskreter Prozesse und Prozesssysteme durch operationelle Modelle und Logiken« 156 Graduiertenkolleg 338 »Lokale innovative Energiesysteme / Local Innovative Energy Systems« 159 Graduiertenkolleg 271 »Strukturuntersuchungen, Präzisionstests und Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik« 163 Graduiertenkolleg 864 »Molekulare Zellbiologie und Bioengineering« 166 Graduiertenkolleg »Hochleistungsbauteilkühlung« 171 Graduiertenkolleg der Hans-Böckler-Stiftung »Lebenslanges Lernen - Theoretisches Konzept und bildungspolitische Vision« 174 2.3. Internationale Graduiertenkollegs 176 Internationales Graduiertenkolleg 625 »Institutionelle Ordnungen, Schrift und Symbole / Ordres institutionnels, écrit et symboles« 177 2.4. Forschergruppen 181 Forschergruppe 308 »Untersuchungen der Wechselwirkung an biologisierten Grenzschichten von Implantaten im Knochen« 182 Forschergruppe 335 »Nanostrukturierte Funktionselemente in makroskopischen Systemen« 185 Forschergruppe 520 »Ferroische Funktionselemente: Physikalische Grundlagen und Konzepte« 188 2.5. DFG-Schwerpunktprogramme 195 DFG-Schwerpunktprogramm 1142 »Institutionelle Gestaltung föderaler Systeme: Theorie und Empirie« 196 DFG-Schwerpunktprogramm 1123 »Textile Verbundbauweisen und Fertigungstechnologien für Leichtbaustrukturen des Maschinen- und Fahrzeugbaus« 198 DFG-Schwerpunktprogramm 1104 »Kolloidale magnetische Flüssigkeiten: Grundlagen, Entwicklung und Anwendung neuartiger Ferrofluide« 203 3. DATEN, ZAHLEN, FAKTEN 209 3.1. Anzahl der Forschungsprojekte 210 3.2. Wissenschaftliche Veröffentlichungen 211 3.3. Wissenschaftliche Abschlussarbeiten 212 3.3.1. Wissenschaftliche Abschlussarbeiten im Überblick - ohne Promotionen 212 3.3.2. Wissenschaftliche Abschlussarbeiten (Diplom, Magister, Staatsexamen, Master, Bachelor) 213 3.4. Promotionen 214 3.5. Habilitationen 215 3.6. Nachwuchsforschergruppen 216 3.7. Patente 217 3.8. Gastwissenschaftler an der TU Dresden und Forschungsaufenthalte von TU-Wissenschaftlern im In- und Ausland 218 3.9. Preise und Ehrungen 219 3.10. Wissenschaftliche Veranstaltungen 242 3.11. Messen und Ausstellungen 283 4. FÖRDERER DES JAHRESFORSCHUNGSBERICHTES 29

Jahresforschungsbericht / Technische Universität Dresden

Der Forschungsbericht vermittelt einen Einblick in die vielfältige, leistungsfähige und interdisziplinäre Forschungslandschaft an der Technischen Universität Dresden.:1. DIE FORSCHUNG AN DER TECHNISCHEN UNIVERSITÄT DRESDEN IM ÜBERBLICK 1.1. Einführung des Rektors 8 1.2. Die Forschung aus der Sicht der Fakultäten 13 Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften 13 Philosophische Fakultät 32 Fakultät Sprach-, Literatur- und Kulturwissenschaften 35 Fakultät Erziehungswissenschaften 36 Juristische Fakultät 38 Fakultät Wirtschaftswissenschaften 41 Fakultät Informatik 42 Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik 46 Fakultät Maschinenwesen 49 Fakultät Bauingenieurwesen 51 Fakultät Architektur 54 Fakultät Verkehrswissenschaften 59 Fakultät Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften 61 Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus und Universitätsklinikum Carl Gustav Carus an der Technischen Universität Dresden 71 1.3. Auf einen Blick: Die Forschungsaktivitäten im Berichtsjahr 2006 75 Interdisziplinäre Projekte (Kurzfassung) 78 Stiftungsprofessuren 80 Kompetenzzentren 92 HBFG-Großgeräte im Jahr 2006 99 Drittmittelbilanz 101 Technologietransfer: Patente und Ausgründungen 106 GWT-TUD GmbH 107 Anteil von Frauen an der Forschung 108 2. EXZELLENZINITIATIVE 111 2.1. Dresden International Graduate School 113 2.2. DFG-Forschungszentrum und Exzellenzcluster 116 3. GROSSE INTERDISZIPLINÄRE FORSCHUNGSPROJEKTE 121 3.1. Sonderforschungsbereiche 122 Sonderforschungsbereich 287 »Reaktive Polymere in nichthomogenen Systemen, in Schmelzen und an Grenzflächen« 123 Sonderforschungsbereich 463 »Seltenerd-Übergangsmetallverbindungen: Struktur, Magnetismus und Transport« 127 Sonderforschungsbereich 528 »Textile Bewehrungen zur bautechnischen Verstärkung und Instandsetzung« 135 Sonderforschungsbereich 537 »Institutionalität und Geschichtlichkeit« 140 Sonderforschungsbereich 609 »Elektromagnetische Strömungsbeeinflussung in Metallurgie, Kristallzüchtung und Elektrochemie« 150 Sonderforschungsbereich 639 »Textilverstärkte Verbundkomponenten für funktionsintegrierende Mischbauweisen bei komplexen Leichtbauanwendungen« 157 Sonderforschungsbereich 655 »Cells into tissue: Stem cell and progenitor commitment and interactions during tissue formation« 162 Sonderforschungsbereich / Transregio 13 »Membrane-microdomains in their role in human disease - Membran-Mikrodomänen und ihre Rolle bei Erkrankungen des Menschen« 167 Sonderforschungsbereich / Transregio 39 »Großserienfähige Produktionstechnologien für leichtmetall- und faserverbundbasierte Komponenten mit integrierten Piezosensoren und -aktoren « 171 3.2. Graduiertenkollegs 174 Graduiertenkolleg 864 »Molekulare Zellbiologie und Bioengineering« 175 Graduiertenkolleg 1401 »Nano- und Biotechniken für das Packaging elektronischer Systeme« 180 Graduiertenkolleg »Hochleistungsbauteilkühlung« 184 Graduiertenkolleg der Hans-Böckler-Stiftung »Lebenslanges Lernen - Theoretisches Konzept und bildungspolitische Vision« 187 Graduiertenkolleg »Aspekte zukünftiger Satelliten-Erkundungsmissionen« 189 3.3. Internationale Graduiertenkollegs 193 Internationales Graduiertenkolleg 625 »Institutionelle Ordnungen, Schrift und Symbole / Ordres institutionnels, écrit et symboles« 194 3.4. Forschergruppen 198 Forschergruppe 520 »Ferroische Funktionselemente: Physikalische Grundlagen und Konzepte« 199 3.5. DFG-Schwerpunktprogramme 205 DFG-Schwerpunktprogramm 1104 »Kolloidale magnetische Flüssigkeiten: Grundlagen, Entwicklung und Anwendung neuartiger Ferrofluide« 206 DFG-Schwerpunktprogramm 1123 »Textile Verbundbauweisen und Fertigungstechnologien für Leichtbaustrukturen des Maschinen- und Fahrzeugbaus« 211 DFG-Schwerpunktprogramm 1130 »Infektionen des Endothels« 213 DFG-Schwerpunktprogramm 1142 »Institutionelle Gestaltung föderaler Systeme: Theorie und Empirie« 215 3.6. BMBF-Forschungsschwerpunkte 217 FORSCHUNGSSCHWERPUNKT FSP-101 »Physics on the Tera-Elektronvolt Scale with ATLAS at the Large Hadron Collider« 218 4. DATEN, ZAHLEN, FAKTEN 221 4.1. Anzahl der Forschungsprojekte 222 4.2. Wissenschaftliche Veröffentlichungen 223 4.3. Wissenschaftliche Abschlussarbeiten 224 4.3.1. Wissenschaftliche Abschlussarbeiten im Überblick - ohne Promotionen 224 4.3.2. Wissenschaftliche Abschlussarbeiten (Diplom, Magister, Staatsexamen, Master, Bachelor) 225 4.4. Promotionen 226 4.5. Habilitationen 227 4.6. Nachwuchsforschergruppen / Juniorprofessur 228 4.7. Patente 229 4.8. Gastwissenschaftler an der TU Dresden und Forschungsaufenthaltevon TU-Wissenschaftlern im In- und Ausland 230 4.9. Preise und Ehrungen 231 4.10. Wissenschaftliche Veranstaltungen 258 5. FÖRDERER DES JAHRESFORSCHUNGSBERICHTES 29

Dresdner Universitätsjournal

"Dresdner Universitätsjournal" vom 1. November 201

Interaktionen von humanen Osteoblasten mit geometrisch strukturierten Implantatoberflächen: Zellarchitektur und Signaltransduktion

Analysiert wurde die Interaktion von MG-63 Osteoblasten mit einer definiert geometrischen Pfostentopographie (HxBxL, 5x5x5 µm). Die Pfosten beeinflussten die Zellarchitektur – Morphologie und Aktinzytoskelett - Topographie abhängig, wodurch die intrazelluläre Kalziumionenkonzentration und –mobilisierung reduziert wurden. Die Expression von Kalziumkanälen und Signalproteinen sind dagegen Topographie unabhängig. Der Einfluss der Topographie auf die intrazelluläre Kalziummobilisierung liefert neue Erkenntnisse darüber, wie externe Signale in die Zelle weitergeleitet werden