Sonderprojekte zwischen Bayern und Florida
Lehrstuhl Biopolymere
Universität Bayreuth
School of EECS
University of Central Florida
Schnelle Protein-Strukturbestimmung mittels paralleler Computer
Um die Funktion eines bestimmten Proteins verstehen zu können, ist die Kenntnis seiner Form und Struktur erforderlich. Eine der am häufigsten eingesetzten experimentellen Methoden zur Bestimmung der 3D-Struktur von Molekülen ist die Röntgenkristallographie, die aber mit dem Problem zu kämpfen hat, dass viele Proteinmoleküle sich nicht kristallisieren lassen. Eine Alternative zur Strukturbestimmung stellt die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie). Hierbei wird die Struktur aber nicht direkt, sonder in der Regel durch Distanzbeschränkungen zwischen vielen (aber nicht allen) Atompaaren im Protein bestimmt. Die Berechnung der Struktur aus solchen interatomaren Abständen stellt eine Herausforderung an Soft- und Hardware dar. Die Verwendung paralleler Computer wird als wesentlich zur Reduzierung der Rechenzeit bei Strukturbestimmungen angesehen.
Prof. Deo hat mit seinen Mitarbeitern neue computergestützte Ansätze entdeckt, die geeignet sind die erforderliche Rechenzeit um Größenordnungen zu reduzieren. Diese Reduktion hat zwei Ursachen: (1) die neue Anwendung der sogenannten „Distanz-Geometrie“ in Kombination mit kombinatorischer Mathematik und Graphentheorie (Reduktion bis zu einem Faktor 100 möglich) und (2) aus dem neuen Design der erforderlichen Datenstrukturen und Algorithmen zur optimalen Ausnutzung paralleler Rechnerstrukturen, sodass Prozesse anstelle von nur einer CPU-Einheit gleichzeitig von vielen CPU-Einheiten verarbeitet werden.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer schnellen und effizienten Software auf Basis dieser neuen Algorithmen, also der neuen Anwendung der Distanz-Geometrie, der Graphentheorie und der kombinatorischen Mathematik, zur Berechnung von 3D-Strukturen von Proteinen und anderen großen Bio-Makromolekülen. Die entsprechende Software soll entwickelt, implementiert und mit entsprechenden NMR-Daten getestet werden und als Ergebnis die 3D-Struktur des Proteins liefern. Besonderes Augenmerk wird auf eine effiziente parallele Implementierung für Rechencluster gelegt.
Prof. Deo hat zu dieser Thematik unter anderem folgende Artikel veröffentlicht:
- P. Micikevicius and N. Deo, ”Exploring Topological Properties of NMRGraphs,” Proceedings of the 7th IEEE International Conference on Bioinformatics and Bioengineering, 2007, BIBE 2007, pp. 1304-1307
- K. Rajan and N. Deo, “Computational Experience with a Parallel Algorithm for Tetrangle Inequality Bound Smoothing,” Bulletin of Mathematical Biology, Vol. 61, No. 5, pp. 987-1008, 1999.
Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit der Gruppe von PD Dr. Schwarzinger vom Lehrstuhl Biopolymere der Universität Bayreuth durchgeführt, die über große Erfahrung im Bereich der strukturellen Charakterisierung von Proteinen mittels NMR-Spektroskopie verfügt.