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A. Liebig:
"Distributed Virtual Screening";
Supervisor: M. Lanzenberger; Institut für Softwaretechnik und Interaktive Systeme, 2007.

Virtual screening has become an essential technique for drug affinity prediction and computa-
tional drug discovery in the last few years. Due to the large amount of data involved in virtual
screening work-flows, both short execution times, and visualization of the results are important.
Virtual screening is used to filter out those compounds from a set of chemical substances that
exhibit a certain biological activity before they are synthesized and tested in vitro or in real or-
ganisms. This thesis describes and evaluates the possibility of speeding up virtual screening for
information visualization (InfoVis) applications for drug discovery using a distributed compu-
tation approach. As the processing of large compound libraries is very time-consuming due to
complex 3D geometry calculations, it is necessary to find ways to speed up and parallelize this
process. This is especially important in information visualization applications where the screen-
ing shall take place just in time, and not depend on preprocessed libraries. The approach used
and described here is not to optimize the geometric algorithms, but to distribute the calculation
processes on different machines to shorten the overall execution time by parallelization. Starting
from an analysis of the granularity of the algorithms used for virtual screening the special re-
quirements for a distributed application are evaluated in this context. State of the art distribution
standards and methods with a special focus on peer-to-peer techniques are discussed regarding
their use for the given problem. Communication interfaces to an InfoVis application visualizing
screening results and progress are part of this work, and a complete distributed application for
virtual screening is developed and its performance evaluated in terms of overhead and scalability.
This application uses a peer-to-peer approach for the distribution of the calculations and provides
a general interface to serve as the basis for calculations for different applications in this area.

Virtual Screening ist in den letzten Jahren eine wichtige Methode in der computerunterstützten
Arzneimittelforschung geworden. Wegen der großen anfallenden Datenmengen im Virtual
Screening Prozess sind sowohl kurze Laufzeiten als auch eine Visualisierung der Ergebnisse
notwendig. Virtual Screening dient dazu, diejenigen chemischen Verbunde aus einer Menge von
chemischen Substanzen auszufiltern, die eine bestimmte biologische Aktivität besitzen, bevor
diese synthetisiert und in vitro oder an lebenden Organismen getestet werden. Diese Masterarbeit
beschreibt und evaluiert die Möglichkeit, Virtual Screening für Informationsvisualisierungs- (In-
foVis) Anwendungen in der Medikamentenforschung durch den Einsatz von verteilten Berech-
nungen zu beschleunigen. Da die Verarbeitung großer Moleküldatenbanken wegen aufwändiger
3D-Berechnungen sehr zeitintensiv ist, müssen Wege gefunden werden, diese zu beschleunigen
und zu parallelisieren. Dies ist besonders wichtig für Informationsvisualisierungssoftware, bei
der die Berechnungen zur Laufzeit erfolgen und nicht vorher berechnete Datenbanken benutzt
werden. Der hier gezeigte Ansatz bezieht sich nicht auf eine Optimierung der geometrischen
Algorithmen, sondern darauf, den Berechnungsprozess auf mehrere Rechner zu verteilen, um
so durch Parallelisierung insgesamt einen Zeitgewinn zu erhalten. Ausgehend von der Analyse der Granularität der Algorithmen für das Virtual Screening werden die Anforderungen für
eine verteilte Anwendung erarbeitet. Aktuelle Methoden für verteilte Berechnungen mit einem
speziellen Fokus auf Peer-To-Peer Lösungen werden in Bezug auf ihre Eignung für das gestellte
Problem analysiert. Die Schnittstellen zu einer InfoVis Anwendung zur Darstellung von Screen-
ingfortschritt und -ergebnissen sind ebenso Teil dieser Arbeit wie ein komplettes Framework
für verteilte Berechnungen, das in Bezug auf Overhead und Skalierbarkeit evaluiert wurde. Das
Programm verwendet einen Peer-To-Peer Ansatz für die Verteilung der Berechnungen. Das allgemeine Design macht es möglich, das Programm für verschiedene Anwendungen zu benutzen,
deren Berechnungen sich für eine Verteilung eignen.

Distributed Computing, Visualization, Virtual Screening