Bioinformatik – Softwarefehler in der Computersimulationen und ihre Bekämpfung

Im Fachbereich „Elektrotechnik und Informatik“ der Fachhochschule Stralsund arbeiten Forscher an dem Projekt „Modeling chromatin fibers by Monte Carlo procedures and analytical descriptions“. In Zusammenarbeit mit dem Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg will das Team um Prof. Dr. Gero Wedemann ein Modell der Chromatinfaser entwickeln, mit dessen Hilfe sich die räumliche Organisation und die dynamischen Eigenschaften des Molekülkomplexes beschreiben lassen. Beides ist von Bedeutung bei der Transkription des Erbguts, also der Übertragung des genetischen Codes von der DNA auf die RNA, dem Zwischenschritt auf dem Weg zur Proteinsynthese (der Translation). Von der Erforschung des Chromatins erhoffen sich Mediziner Hinweise auf die Entstehung und Vererbung von Krankheiten.

Ein häufiger Stolperstein solcher Forschungen sind Fehler im Programm, das die Modellberechnungen ausführt. Prof. Dr. Gero Wedemann: „Wissenschaftliche Software wird oft nicht gründlich genug getestet. Dadurch besteht die Gefahr, dass sich Fehler in die Simulation einschleichen und unbemerkt das Modell beeinflussen.“

Das Problem: Da es sich zumeist um Grundlagenforschung handelt, liegen nur wenige Vergleichsdaten vor, die zur Beurteilung der Simulationsergebnisse herangezogen werden könnten. Ein Fehler könnte daher – bliebe er unentdeckt – die Forschung der folgenden Jahre in eine falsche Richtung lenken. Deswegen spielen Korrektheit und Fehlerfreiheit von Software in wissenschaftlichen Projekten eine ausschlaggebende Rolle. Die häufigsten und gefährlichsten Softwarefehler sind Laufzeitfehler. Sie machen sich erst bemerkbar, wenn das Programm ausgeführt wird und lassen es zumeist ohne Vorwarnung abstürzen. Die Stralsunder Forscher beugen ihnen durch eine umfangreiche Softwarevalidierung mit zahlreichen Tests und Reviews vor.

Seit neuestem greifen sie dazu sogar auf Mathematik zurück: Das Analysewerkzeug „Polyspace Verifier“ der bei München beheimateten Polyspace Technologies GmbH verwendet das Prinzip der „abstrakten Interpretation“, um Auftreten und Art von Laufzeitfehlern zu berechnen. – Eigentlich ein Ding der Unmöglichkeit, wie beispielsweise Alan Turing annahm. Der britische Mathematiker trug während des zweiten Weltkriegs maßgeblich dazu bei, den Enigma-Code zu knacken. Mitte der 50er Jahre postulierte er, dass es nicht möglich sei, Laufzeitfehler automatisch vorher zu bestimmen. Sein Argument: Die exakte Menge der möglichen Zustände eines Systems lässt sich nicht berechnen.

Dr. Alain Deutsch, französischer Mathematiker und einer der Gründerväter von Polyspace Technologies, umging dieses Problem jedoch: Je nach Datentyp verfügen Variablen über eine bestimmte Spannweite möglicher Ausprägungen. Der Polyspace Verifier berechnet ausgehend vom Datenfluss des Quellcode, welchen Wertebereich jede Variable zu jedem Zeitpunkt während des Programmablaufs beinhalten kann. Darauf folgend wird für jede mögliche Operation des Programms analysiert, ob nicht erlaubte Zustände (z.B. Division durch Null, Overflow) auftreten können.

Zahlreiche Nachteile dynamischer Softwaretests lassen sich so vermeiden. So kann beispielsweise anhand von Tests nur festgestellt werden, dass ein Laufzeitfehler vorliegt, aber nicht worin er besteht. Auch bleiben viele Fehler unentdeckt, weil die dazu notwendigen Testszenarien nicht ausgeführt wurden oder weil die Fehler auf das erwartete Testergebnis keinen Einfluss hatten. Gegenüber dem weit verbreiteten Faganschen Inspektionsprozess hat die automatisierte Prüfung den Vorteil, dass sie wesentlich schneller abläuft: 400 Zeilen Quellcode überprüft der Verifier in etwa 10 Minuten – dazu benötigen vier Inspektoren nach Fagan jeweils sechs Stunden.

Projektmitarbeiter René Stehr und Prof. Dr. Gero Wedemann sind auf eine schnelle Softwarevalidierung angewiesen, denn der Quellcode der Simulationssoftware wird kontinuierlich um neue Segmente ergänzt. So können zusätzliche Faktoren in die Simulation einbezogen werden. Aktuell arbeitet das Team beispielsweise daran, das elektrische Potenzial der DNA in die Modellberechnung zu integrieren. „Alle vier bis sechs Wochen ist ein neuer Softwarecheck fällig“, betont Prof. Dr. Gero Wedemann, „denn sowohl die neuen Code-Elemente als auch deren Auswirkungen auf den Gesamtcode müssen erneut überprüft werden, bevor eine neue Simulation gestartet werden kann.“ Bei Modellberechnungszeiten von mehreren Wochen würde ein Softwarefehler das Projekt um Monate zurückwerfen.

Erste Erfolge kann das Projektteam bereits vorweisen: Anhand des Modells ist es gelungen, fünf Eigenschaften der Chromatinfaser zu erklären. So können bereits Aussagen zum Durchmesser der Fiber, zu ihrer Massenbelegungsdichte, zur Orientierung von DNA und Nukleosomen zur Fiberachse und zur Flexibilität der Faser getroffen werden. „Damit liegen wir weltweit vor anderen Forschungsprojekten, die bis jetzt vielleicht zwei oder drei Charakteristika erklären können“, so Prof. Dr. Wedemann.

Ansprechpartner:
Fachhochschule Stralsund
Prof. Dr. Gero Wedemann; Rene Stehr
Tel. 03831/457051
E-Mail: gero.Wedemann@fh-stralsund.de
PolySpace Technologies GmbH
Rudolf Frommknecht, Geschäftsführer
Tel. 08153/907220
E-Mail: rudolf.frommknecht@polyspace.com