Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Analyse komplexer Biosysteme mittels High-Performance-Computing

13.12.2017

Im Rahmen eines vom Freistaat Thüringen geförderten Projektes* wurde ein leistungsstarkes Rechencluster für das High-Performance-Computing (HPC) in Kombination mit einer modernen Simulationssoftware zur Bearbeitung von Fragen der Systembiologie im iba e.V. Heiligenstadt etabliert. Speziell auf den Gebieten der Mikrobiologie, Mikrofluidik, Mikroelektronik und des Datenmanagements soll moderne Rechentechnik der Minimierung von kostenintensiven biologischen Experimenten und praktischen Untersuchungen dienen.

Für die Forschung in den Biowissenschaften ist auch heute noch ein weitgehend qualitativer und empirischer Ansatz charakteristisch. Es geht um die Frage, wie biologische Systeme mit einer riesigen Anzahl von Teilprozessen funktionieren.


Abb. 1: 3D-Simulationsergebnis eines Biofilms (links) und 3D-CLSM Aufnahme einer Biofilmpopulation (rechts).

iba Heiligenstadt


Abb. 2: Vitalitätsanalyse eines Sphäroides der Zelllinie 215 mittels Lichtblattmikroskopie Z.1 (LSFM), Lebend/Tot-Färbung (links) und Aufnahme eines Sphäroides im Kompartiment (rechts).

iba Heiligenstadt

Um diese Verflechtungen zu verstehen, kommt es darauf an, die unterschiedlichen Akteure zu identifizieren und ihre Wechselwirkungen untereinander zu erforschen. Nur so gelingt es komplexe Systemeigenschaften wie die Regulation und Kontrolle biologischer Systeme, deren Steuerbarkeit und Verhalten zu beschreiben und zu verstehen.

Die Modellierung von Lebensprozessen verspricht dabei ein großes Anwendungspotenzial. Dieser interdisziplinäre Forschungsansatz, der die Biologie mit der Informatik, der Mathematik und den System- und Ingenieurwissenschaften zu einer "Systembiologie" verbindet, kann hier einen wesentlichen Beitrag leisten. Die Systembiologie zielt mit ihrer ganzheitlichen Sichtweise darauf ab, realitätsnahe Modelle von physiologischen Vorgängen in der Biologie zu entwickeln und somit ein ganzheitliches Verständnis der wesentlichen Prozesse zu erlangen.

„In vivo, in vitro, in silico“ gilt als Dreisatz der Systembiologie, in der es darum geht die komplexen und dynamischen Abläufe in biologischen Prozessen zu verstehen und abzubilden. Die große Fülle von Daten von biologischen Zusammenhängen und Funktionen, muss in einen sinnvollen Gesamtzusammenhang (Datenexploration) gebracht und im Computer nachgebildet werden, so dass Simulationen und Vorhersagen auch ohne Experimente im Labor möglich werden.

Im Bereich der Biofilmsimulation stellen die Entstehung und Ausprägung pathogener Biofilme und der damit einhergehende Einfluss antiinfektiver Therapien auf Krankheitserreger sowie die Simulation von Mehrphasen-Strömungen hochgradig nichtlineare und rechenintensive Probleme dar.

Derartige Simulationen wachsen in dem Maße in Größe und Komplexität wie Wissenschaftler und Ingenieure versuchen die natürlichen Eigenschaften des Problems mit höherer Präzision und Genauigkeit in einem Modell abzubilden. Ohne diesen hohen Anspruch an Detailgenauigkeit besteht stets die Gefahr, die Realität nur unzureichend im Modell abzubilden.

Daraus ergibt sich die Forderung, notwendiger denn je, an eine höhere Diskretisierung der Simulationsräume durch feinere Netze und anspruchsvollere physikalischer Materialmodelle, was zwingend zu numerisch extrem aufwendigen Simulationen mit hoher physiko- und biochemischer Komplexität führt.

Der Schlüssel um derartige Simulationen zu ermöglichen liegt im High-Performance-Computing (HPC). Modellierungsverfahren und Simulationsmethoden mit Hochleistungsrechnern entwickeln sich neben der Theoriebildung und dem Experiment zum entscheidenden Faktor für eine international wettbewerbsfähige Forschung in Wissenschaft und Technik. Am Rechenzentrum der TU Ilmenau wurde zu diesem Zweck ein moderner und leistungsstarker Rechencluster mit 144 Cores installiert, der den Wissenschaftlern des iba Heiligenstadt e.V. via Internet zur Verfügung steht.

Wesentlicher Untersuchungsgegenstand im laufenden Forschungsvorhaben ist die Komplexität von hierarchisch strukturierten, mikrobiologischen Biofilmen (Abb. 1), wie sie zum Beispiel als Plaque in der Mundhöhle des Menschen zu finden sind sowie 3-dimensionale Zell-aggregate, sogenannte Sphäroide (Abb. 2), als Modellsysteme für Tumorerkrankungen, die mittels selektiver und sensitiver Impedanzspektroskopie untersucht werden können.

Die adressierten Applikationen sind u. A. auf die Bekämpfung von Infektionskrankheiten und die Wirkstoffforschung mittels der Modellierung und Simulation in silico ausgerichtet.
Durch HPC-Ansätze können dabei in Zukunft Entwicklungsschritte für notwendige neue Lösungen in der Medizintechnik wesentlich schneller und vor allem ohne regulative Restriktionen (ethische Grenzen, Tierversuche) konzipiert und geprüft werden.

* Das vom Freistaat Thüringen geförderte Vorhaben wurde durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) unter dem Förderkennzeichen: 2016 FGI 0001 kofinanziert.

Sebastian Kaufhold | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.iba-heiligenstadt.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Industrie 4.0: Fremde Eindringlinge im Unternehmensnetz erkennen
16.04.2018 | Fraunhofer-Institut für Sichere Informationstechnologie SIT

nachricht Die Thermodynamik des Rechnens
11.04.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Im Focus: Molecules Brilliantly Illuminated

Physicists at the Laboratory for Attosecond Physics, which is jointly run by Ludwig-Maximilians-Universität and the Max Planck Institute of Quantum Optics, have developed a high-power laser system that generates ultrashort pulses of light covering a large share of the mid-infrared spectrum. The researchers envisage a wide range of applications for the technology – in the early diagnosis of cancer, for instance.

Molecules are the building blocks of life. Like all other organisms, we are made of them. They control our biorhythm, and they can also reflect our state of...

Im Focus: Metalle verbinden ohne Schweißen

Kieler Prototyp für neue Verbindungstechnik wird auf Hannover Messe präsentiert

Schweißen ist noch immer die Standardtechnik, um Metalle miteinander zu verbinden. Doch das aufwändige Verfahren unter hohen Temperaturen ist nicht überall...

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Moleküle brillant beleuchtet

23.04.2018 | Physik Astronomie

Sauber und effizient - Fraunhofer ISE präsentiert Wasserstofftechnologien auf Hannover Messe

23.04.2018 | HANNOVER MESSE

Fraunhofer IMWS entwickelt biobasierte Faser-Kunststoff-Verbunde für Leichtbau-Anwendungen

23.04.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics