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31.08.2011

Art & Science Award für Software zur Protein-Visualisierung


Mit den Computerprogrammen "BALLView" und "RTfact", entwickelt an der Universität des Saarlandes, können Pharmazeuten komplexe Molekülketten bearbeiten und visualisieren, um so neue Medikamente in kürzerer Zeit zu entwickeln. Eine von Saarbrücker Informatikern berechnete Visualisierung eines Protein-Rezeptors wurde auf der internationalen Doppel-Konferenz Intelligent Systems for Molecular Biology und Computational Biology ISMB/ECCB in Wien mit dem Art & Science Award ausgezeichnet. Die prämierte Graphik ist frei im Internet verfügbar.

"Wir freuen uns sehr, dass unsere Molekül-Visualisierung den hohen ästhetischen Ansprüchen des Preises genügte. In erster Linie wollen wir jedoch Pharmazeuten helfen, Krankheiten schneller zu bekämpfen", erklärt Professor Philipp Slusallek, Computergraphik-Professor der Saar-Uni und wissenschaftlicher Direktor am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz. Mitarbeiter seines Lehrstuhls haben dafür zusammen mit Informatikern des Zentrums für Bioinformatik die eigene Programmbibliothek "RTfact" mit der Software "BALLView" kombiniert. BALLView wurde unter der Leitung von Professor Hans-Peter Lenhof und Andreas Hildebrandt entwickelt.

Noch detailgetreuer darstellen lassen sich die Moleküle durch die Kombination mit der Programmbibliothek RTfact, die auf dem sogenannten Ray-Tracing-Verfahren basiert. So können für die dreidimensionale Struktur der Moleküle zusätzlich Beleuchtungen, Schatten und Spiegelungen berechnet werden. Darüberhinaus arbeiten die zugrundeliegenden Rechenverfahren so schnell und stabil, dass sogar eine Interaktion mit der Darstellung möglich ist. Die ausgezeichnete Visualisierung trägt den Titel "Reflections on Protein Structures", da Reflektionen im Bild erkennbar sind. Es spiegeln sich eingefärbte, übereinanderliegende Molekülketten, sogenannte Helices. Diese definieren durch ihre spezielle räumliche Anordnung den Rezeptor für das Protein Adenosin. Durch solche Rezeptoren kann eine Zelle in ihrem Inneren auf äußere Einflüsse reagieren, ohne dass dafür potenziell schädliche Botenstoffe ihre Zellmembran durchdringen müssen.

Der Adenosin-Rezeptor durchstößt dazu die Membran so, dass lediglich seine Enden sichtbar sind. Dockt das Molekül Adenosin an sein äußeres Ende, dreht sich Rezeptor beinahe wie ein Schlüssel in einem Schloss, wodurch im Inneren der Zelle ein sogenanntes G-Protein aktiv wird. Bei Zellen in Gefäßwänden kann dies den Blutdruck senken, da sich dadurch die Gefäßwände weiten. In Gehirnzellen wiederum reguliert der Adenosin-Rezeptor die Ausscheidung des biochemischen Botenstoffes Dopamin, was ihn damit für die Erforschung der Volkskrankheit Parkinson interessant macht.

Da er jedoch in der Zellmembran sitzt, können Forscher seine Struktur bisher nur mit experimentellen Methoden indirekt untersuchen. Doch gerade auf das Wissen über solch dreidimensionale Strukturen sind sie angewiesen, um diese Schlüssel-Schloss-Mechanismen zu verstehen. Neben der chemischen Zusammensetzung entscheidet nämlich auch die räumliche Beschaffenheit des Rezeptors darüber, ob die gewünschte biochemische Reaktion abläuft. Mit den Programmen BALLView und RTfact haben Forscher weltweit nun eine Alternative.

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Quelle: Universität des Saarlandes/Exzellenz-Cluster "Multimodal Computing and Interaction"




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