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T. Klein:
"Instant Construction of Atomistic Models for Visualization in Integrative Cell Biology";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): E. Gröller, T. Ertl, T. Ropinski; Visual Computing and Human-Centered Technology, 2019; Rigorosum: 29.11.2019.

Ergebnisse rechnergestützter Modellierung haben die integrative Zellbiologie auf viel-fälltige Weise weiterentwickelt. Insbesondere im biologischen Mesoskalenbereich, derSkala zwischen Atomen und zellulären Umgebungen, verbessern Computermodelledas Verständnis und die qualitative Analyse biologischer Strukturen. Die Mesoskalaist ein bedeutsamer Bereich, da sie den Bereich der Skalen darstellt, die für einzel-ne experimentelle Techniken nicht vollständig zugänglich ist. Komplexe molekulareZusammensetzungen innerhalb dieser Größenordnung können mit Hilfe von Kris-tallstrukturanalyse visualisiert werden, allerdings nur in Isolation. Modelle in derMesoskala zeigen, wie Moleküle zu komplexeren subzellulären Umgebungen zusam-mengefügt werden. Diese Molekülkomplexe bilden die grundlegenden Prozesse desLebens. Durch die geschickte Kombination von Resultaten aus bildgebenden und ex-perimentellen Methoden können Wissenschaftler einen Einblick in die stattfindendenProzesse erlangen. Erst in jüngster Zeit haben Biologen damit angefangen, die Resul-tate verschiedener biologischer Quellen zu vereinheitlichen. Durch diesen Ansatz istes möglich, komplexe biologische Umgebungen wie Viren oder Bakterien digital zumodellieren und anschließend zu visualisieren. Aus diesen und folgenden Gründenleben wir derzeit in einer richtungweisenden Zeit für die Erforschung der integrativenStrukturbiologie. In erster Linie macht die Fülle der vorhandenen Daten, durch Quellenwie bekannte Online-Datenbanken, Strukturinformationen über biologische Objekteöffentlich zugänglich. Darüber hinaus bildet der Fortschritt von parallelen Prozessorendie Grundlage für die direkte Konstruktion und Visualisierung großer biologischerUmgebungen im atomistischen Detail. Zusätzlich ermöglichen neue wissenschaftlicheFortschritte in der Visualisierung die effiziente Darstellung komplexer biologischerPhänomene mit mehrenen Millionen von Struktureinheiten.In dieser kumulativen Dissertation, präsentieren wir eine Vielzahl von neuen Techniken,die den sofortigen digitalen Aufbau von Strukturen der Mesoskala erleichtern. Diegemeinsame methodische Grundlage der Techniken und Erkenntnisse in dieser Arbeitist "Rechnen statt Speichern". Dieser Ansatz reduziert die Komplexität der Speicherver-waltung und ermöglicht die sofortige Änderung der erstellten Modelle. In Kombinationsind die vorliegenden Techniken in der Lage, große biologische Umgebungen unterVerwendung der grundlegenden strukturellen Bausteine von Zellen interaktiv zu kon-struieren. Diese Bausteine bestehen hauptsächlich aus Nukleinsäuren, Lipiden undvii
löslichen Proteinen. Für die Erzeugung von langen linearen Polymeren, die aus Nu-kleinsäuren bestehen, präsentieren wir eine parallele Konstruktionstechnik, die einenMittelpunktsverschiebungsalgorithmus verwendet. Die effiziente Erzeugung von Lipid-membranen wird durch einen Textursyntheseansatz realisiert, der das Wang-Kachelung-Konzept ausnutzt. Für die Verteilung löslicher Proteine wird ein stufenweiser parallelerAlgorithmus vorgestellt. In diese Arbeit päsentieren wir die Integration der direktenModelierung in eine visuelle Umgebung und beleuchten wie dies mehrere Aspektesignifikant verbessert. Erstens ermöglicht die Integration ein sofortiges Feedback überdie erstellten Strukturen und die Ergebnisse von Parameteränderungen. Darüber hin-aus bildet die Integration von Konstruktion in die Visualisierung die Grundlage fürVisualisierungssysteme, die darauf abzielen, große biologische Lebenswelten direktzu erstellen. Dies fördert die qualitative Analyse biologischer Umgebungen, welcheeine Vielzahl von synthetisierten Modellen benötigen. Um die Physiologie biologischerModelle der Mesoskala der Allgemeinheit näherzubringen, wird in ein neuartiges Kon-zept präsentiert, welches die Erstellung von prozeduralen Animationen auf mehrerenSkalen vereinfacht.

AbstractComputational models have advanced research of integrative cell biology in variousways. Especially in the biological mesoscale, the scale between atoms and cellularenvironments, computational models improve the understanding and qualitative anal-ysis. The mesoscale is an important range, since it represents the range of scalesthat are not fully accessible to a single experimental technique. Complex molecularassemblies within this scale have been visualized with x-ray crystallography, thoughonly in isolation. Mesoscale models shows how molecules are assembled into morecomplex subcelluar environments that orchestrate the processes of life. The skillfulcombination of the results of imaging and experimental techniques provides a glimpseof the processes, which are happening here. Only recently, biologists have startedto unify the various sources of information. They have begun to computationallyassemble and subsequently visualize complex environments, such as viruses or bacteria.Currently, we live in an opportune time for researching integrative structural biologydue to several factors. First and foremost, the wealth of data, driven through sourceslike online databases, makes structural information about biological entities publiclyavailable. In addition to that, the progress of parallel processors builds the foundationto instantly construct and render large mesoscale environments in atomistic detail.Finally, new scientific advances in visualization allow the efficient rendering of complexbiological phenomena with millions of structural units.In this cumulative thesis, we propose several novel techniques that facilitate the instantconstruction of mesoscale structures. The common methodological strategy of thesetechniques and insight from this thesis is "compute instead of store". This approacheliminates the storage and memory management complexity, and enables instantchanges of the constructed models. Combined, our techniques are capable of instantlyconstructing large-scale biological environments using the basic structural buildingblocks of cells. These building blocks are mainly nucleic acids, lipids, and solubleproteins. For the generation of long linear polymers formed by nucleic acids, wepropose a parallel construction technique that makes use of a midpoint displacementalgorithm. The efficient generation of lipid membranes is realized through a texturesynthesis approach that makes use of the Wang tiling concept. For the population ofsoluble proteins, we present a staged algorithm, whereby each stage is processed inparallel. We have integrated the instant construction approach into a visual environmentin order to improve several aspects. First, it allows immediate feedback on the createdix structures and the results of parameter changes. Additionally, the integration ofconstruction in visualization builds the foundation for visualization systems that striveto construct large-scale environments on-the-fly. Lastly, it advances the qualitativeanalysis of biological mesoscale environments, where a multitude of synthesized modelsis required. In order to disseminate the physiology of biological mesoscale models,we propose a novel concept that simplifies the creation of multi-scale proceduralanimations.

https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_284011.pdf