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Virtuelles Molekül-Mikroskop Dreidimensionale Strukturen von Molekülen studieren, editieren, simulieren oder manipulieren

Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Wenn neue Medikamente entwickelt oder biochemische Prozesse untersucht werden, müssen sich Forscher die Formen und Strukturen der Moleküle vorstellen können. Bioinformatiker in Saarbrücken und Tübingen haben dafür die frei verfügbare Software Ballview entwickelt, die es Nutzern ermöglicht, Moleküle am Bildschirm zu betrachten und zu bearbeiten.

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LaborPraxis: Herr Dr. Hildebrandt, in vielen Forschungsbereichen ist es notwendig, Moleküle räumlich darstellen zu können. Sie haben eine frei verfügbare Software entwickelt, die eine äußerst realistische Darstellung und Bearbeitung von Molekülen ermöglicht. Nach welchem Prinzip funktioniert Ihre Software?

Dr. Hildebrandt: Zusammen mit den Arbeitsgruppen von Prof. Lenhof und Prof. Kohlbacher beschäftigen wir uns schon seit langem mit der Entwicklung von Methoden und Programmen für das „Molecular Modelling“, also das Arbeiten mit dreidimensionalen Molekülstrukturen am Computer. Dafür entwickeln wir seit 1996 eine C++-Klassenbibliothek, die sogenannte Biochemical Algorithms Library BALL, eine sehr umfangreiche Sammlung verschiedener Datenstrukturen und Algorithmen für die Entwicklung strukturorientierter Programme. Zu dieser Bibliothek gibt es ein graphisches Frontend, also ein einfach bedienbares graphisches Programm, namens Ballview.

LaborPraxis: Wodurch hebt sich Ballview gegenüber anderen Visualisierungsprogrammen ab?

Dr. Hildebrandt: Da die Software auf der BALL-Bibliothek beruht, erlaubt sie auf einfache und intuitive Weise den Zugriff auf eine umfangreiche Modelling-Funktionalität. So kann der Anwender z.B. verschiedene molekularmechanische Kraftfelder zur Energieberechnung oder Strukturminimierung heranziehen, fehlende Atome (z.B. Wasserstoffe) ergänzen, eigene Moleküle zusammenklicken und vieles mehr. Dies stellen wir kostenfrei zur Verfügung. Darüber hinaus ist der Quellcode frei verfügbar, sodass jeder Interessierte auf einfache Art und Weise neue Funktionalität hinzufügen oder bestehende Methoden verbessern kann. Auch solche eigenen Erweiterungen können direkt über Ballview verfügbar gemacht werden.

LaborPraxis: Wo liegen mögliche Anwendungsbereiche dieser Software?

Dr. Hildebrandt: Sie kann in der Forschung überall dort angewendet werden, wo die dreidimensionalen Strukturen von Molekülen studiert, editiert, simuliert oder manipuliert werden sollen, z.B. im computergestützten Wirkstoffentwurf oder im Proteindesign. Ein weiteres wichtiges Anwendungsfeld ist die Lehre: Ballview erlaubt es auch Studenten, das Modelling am eigenen Rechner zu üben, ohne teure Software erwerben zu müssen. Gute Visualisierung und ein einfacher Zugriff auf molekularmechanische Simulationen helfen beipielsweise auch dabei, ein besseres Verständnis für die chemischen Zusammenhänge zu gewinnen.

LaborPraxis: In einem Forschungsprojekt mit Ihrem Kollegen Prof. Philipp Slusallek haben Sie seine neue Visualisierungsbibliothek RTfact mit Ballview kombiniert. Welche Vorteile bringt dies?

Dr. Hildebrandt: Während Molekülviewer üblicherweise das so genannte Rasterisierungsverfahren verwenden, ist es uns durch die Integration von Prof. Slusalleks RTfact-Bibliothek gelungen, modernste Real-Time-Raytracing-Methoden nutzbar zu machen. Dabei werden die Bilder durch eine physikalisch fundierte Simulation der Lichtverhältnisse in der jeweiligen Szene erzeugt. Dadurch werden viele optische Effekte korrekt reproduziert, die wir aus dem täglichen Leben gewohnt sind. Ein bekanntes Beispiel sind Reflektionen sowie die korrekte Wiedergabe von Schatten und indirekten Beleuchtungseffekten, die in anderen Molekül-Visualisierern zurzeit so nicht möglich sind. Aus diesem Grund wurden schon seit langem spezielle nicht-interaktive Raytracing-Programme für die Molekülvisualisierung verwendet. Allerdings richten sich diese externen Programme eher an Grafiker als an Biologen oder Chemiker und benötigen für die Berechnung eines einzelnen Bildes oft mehrere Minuten, manchmal sogar Stunden.

LaborPraxis: Und ihre Software kann dies schneller?

Dr. Hildebrandt: Absolut, die Kombination aus RTfact und Ballview erlaubt, molekulare Szenen interaktiv darzustellen, ohne auf visuelle Effekte verzichten zu müssen. So ist es auch unerfahrenen Anwendern sehr einfach möglich, spektakuläre Bilder zu erzeugen. Noch wichtiger ist für uns allerdings, dass das Real Time Raytracing für das intuitive Verständnis der angezeigten Szenen erhebliche Vorteile bietet. Unser Gehirn ist zwar daran gewöhnt, Beleuchtungseffekte wie Schatten oder Reflektionen für die Erzeugung eines dreidimensionalen Eindruckes heranzuziehen. Da das Raytracing es erlaubt, solche Effekte physikalisch korrekt zu berechnen, ermöglicht ein raygetracetes Bild einen wesentlich besseren Eindruck der dreidimensionalen Verhältnisse, insbesondere wenn es interaktiv gedreht, gezoomt und bewegt werden kann. Darüber hinaus erlaubt das Raytracing, biologische Daten auf völlig neue Arten zu visualisieren. Dies wird besonders beim so genannten Volume Raytracing deutlich, bei dem dreidimensionale Daten z.B. Elektronendichten, Potenziale oder andere Eigenschaften visualisiert werden.

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