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Ein Bild sagt mehr als tausend Worte

Wissenschaft per Zufall mit der Monte-Carlo-Methode: Forscher der Universität Stuttgart simulieren und visualisieren biochemische Prozesse
Stuttgart, 23.01.2012 | 

Biochemische Prozesse kann man aufschreiben oder anschaulich visualisieren. Oft ist es viel anschaulicher, eine Sache visuell zu erfassen, da sich mehrere Dinge gleichzeitig darstellen lassen. Nicht umsonst besagt ein berühmtes Sprichwort: "Ein Bild sagt mehr als tausend Worte". Für Wissenschaftler besitzt die Visualisierung von Simulationsdaten große Vorteile, da sich diese besser analysieren lassen. Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben spezielle Computerprogramme entwickelt, die schnell und effizient zeigen, wie Moleküle kommunizieren und reagieren.

Roulette im Dienst der Wissenschaft

Bilder allein reichen den Forschern nicht aus. Sie spielen auch Roulette im Dienst der Forschung.
Im Exzellenzcluster SimTech setzen die Wissenschaftler die sogenannte Monte-Carlo-Methode, ein, die im Bereich der Wahrscheinlichkeitsrechnung entwickelt wurde. Sie arbeitet mit Zufallsexperimenten, die in hoher Zahl hintereinander ausgeführt werden. Je mehr Experimente, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, der Realität in der Zelle auf die Spur zu kommen. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise unterschiedliche Transportprozesse von Signalen in den Zellen nachahmen. Diese Zufallssimulationen markieren dann möglicherweise neue Ansatzpunkte für die Krebstherapie.

Ohne die Hilfe des Computers wäre diese Form der Forschung nicht möglich. Erst kontinuierlich weiterentwickelte Software ermöglicht es, auch hochkomplexe biochemische Vorgänge zu simulieren. Die auszuwertenden Datensätze erreichen Größen von mehreren Gigabyte und enthalten bis zu einer Million Partikel pro Zeitschritt. Damit Simulationsdaten in dieser Größenordnung interaktiv analysiert werden können, entwickeln Wissenschaftler des Sonderforschungsbereichs SFB 716 und des Exzellenzclusters Simulation Technology (SimTech) am Visualisierungsinstitut der Universität Stuttgart (VISUS) derzeit neue Techniken. Sie sind an die Komplexität der Materie angepasst und erlauben es dem Benutzer, die immense Datenflut zu erfassen.

Animierte Moleküle animieren die Forschung

Im Sonderforschungsbereich 716 untersuchen die Forscher unter anderem, wie sich Proteinmoleküle auf atomarer Ebene in unterschiedlichen Lösungsmitteln verhalten. So analysieren die Wissenschaftler, wie das Mischungsverhältnis beschaffen sein muss, damit Proteine mehr Biokraftstoff synthetisieren. Durch das am VISUS entwickelte Programm MegaMol können die Forscher die Simulationsergebnisse anschaulich darstellen und das dynamische Verhalten der Moleküle in einer Animation sehen. Alle Daten lassen sich aus beliebigen Blickwinkeln betrachten. Zusätzlich helfen unterschiedliche Einfärbungen dabei, unterschiedliche Merkmale zu erkennen.Das eigens entwickelte Visualisierungswerkzeug CellVis erlaubt es, Vorgänge im Bereich von Nanosekunden zu simulieren, die in der Realität mehrere Minuten in Anspruch nehmen.

www.visus.uni-stuttgart.de

Das Visualisierungsinstitut (VISUS) ist eine zentrale Forschungseinrichtung der Universität Stuttgart. In drei Arbeitsgruppen betreiben etwa 30 Mitarbeiter sowohl grundlagenbezogene Forschung an wissenschaftlichen Visualisierungsverfahren und in den Bereichen Visual Analytics, Visual Computing und Computergraphik, als auch interdisziplinäre, anwendungsorientierte Forschung in enger Zusammenarbeit mit Lehrstühlen, Instituten und Arbeitsgruppen anderer Fachrichtungen an der Universität Stuttgart.

VISUS und seine Arbeitsgruppen sind über Abteilungen des Instituts für Visualisierung und Interaktive Systeme (VIS) in den Fachbereich Informatik der Fakultät für Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik eingebunden.

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