New Algorithms for Macromolecular Structure Determination

Abstract

Genaue Informationen über die dreidimensionale Struktur biologischer Makromoleküle sind von essentieller Bedeutung für die Untersuchung biologischer Systeme. Mit Hilfe dieser Informationen ist es möglich, Ursachen von Erkrankungen die durch veränderte Proteinformen verursacht werden nachzuvollziehen und spezifische Medikamente zu entwickeln welche diese Moleküle inhibieren. Leider ist es bis heute nicht möglich auf direktem, experimentellem Wege die dreidimensionale Struktur eines Moleküls zu bestimmen. Alle derzeit verfügbaren Methoden (wie z.B. Röntgenkristallographie, Einzelmolekül Kryo-Elektronenmikroskopie oder NMR Spektroskopie) liefern experimentelle Daten die zunächst computergestützt aufbereitet werden müssen um eine aussagekräftige dreidimensionale Struktur zu erhalten. Somit haben die Qualität und die Effizienz dieser Berechnungen einen großen Einfluss auf die gesamte Strukturbiologie. Die derzeitigen Verbesserungen in Instrumentierung und Computerhardware erlauben die Entwicklung und Anwendung von Algorithmen welche früher unvertretbar lange Rechenzeiten in Anspruch genommen hätten. Dies gilt insbesondere für die Methode der Kryo-Elektronenmikroskopie, welche im Vergleich die größten Anforderungen an die computergestützten Berechnungen stellt. In der hier besprochenen Arbeit werden neue Methoden zur Verwaltung und Bearbeitung der äußerst großen Datenmengen, wie sie in der Kryo-Elektronenmikroskopie anfallen, vorgestellt und diskutiert. Unter Ausnutzung aktuellster Technologien (wie z.B. paralleles Programmieren auf Graphikkartenprozessoren) wurden neue Algorithmen zur Verbesserung der Bildverarbeitung entwickelt. Diese wurden in eine zu diesem Zweck entwickelte flexible, objekt-orientierte und intuitiv zu bedienende Bildverarbeitungssoftware integriert. Insbesondere wurde ein Algorithmus entwickelt der automatisch diejenigen Einzelmolekülbilder identifiziert, welche die dreidimensionale Rekonstruktion beeinträchtigen.