Bernd Freisleben

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Forschungsgebiet

Arbeitsschwerpunkte in Forschung und Lehre sind einerseits Methoden zur Entwicklung ver­teilter Systeme und andererseits unterschiedliche Anwendungsbereiche, die von einer verteilten/parallelen Ausführung besonders profitieren. Konkret geht es um Software-Infrastruk­turen, Dienste und Werkzeuge zur Realisierung von Anwendungen des Cluster/Grid/Cloud Computing, um Middleware zur Entwicklung Internet-basierter Arbeitsum­gebungen, sowie um Verfahren zur verteilten/parallelen Lösung rechen- und datenintensiver Problemstellun­gen aus den Bereichen Datenanalyse, Simulation und Optimierung im Scientific Computing, Computational Engineering und Multimedia Computing. Aktuelle Anwendungsbereiche sind Bioinformatik, sowie Bildverarbeitung und -analyse. Aspekte der IT-Sicherheit, Zuverlässigkeit, Effizienz und Skalierbarkeit von Infrastrukturen und Anwendungen werden Themen übergreifend untersucht.

Forschungsprojekt

In einem gemeinsamen Projekt mit den Arbeitsgruppen Hüllermeier und Klebe beschäftigen wir uns mit der Beschleunigung von Verfahren zur vergleichenden Analyse der räumlichen Struktur von Proteinbindetaschen. Hierbei geht es um die Frage, welche Proteine wechselseitig identische oder ähnliche Funktionen wahrnehmen können, um beispielsweise die Genausstattung von Mikroorganismen im Rahmen der synthetischen Mikrobiologie auf eine Minimalausstattung zu reduzieren. Hierzu wurde der in der Arbeitsgruppe Hüllermeier entwickelte SEGA Algorithmus effizient parallelisiert, einerseits durch die Portierung auf Grafikkarten (GPGPUs) und andererseits durch die Verteilung auf mehrere Rechner einer Cloud-Infrastruktur. So war es möglich, die Laufzeit auf weniger als 2 Millisekunden pro Bindetaschenvergleich auf entsprechender Hardware zu reduzieren, so dass der paarweise Vergleich von insgesamt 144.849 Bindestellen in einer akzeptablen Laufzeit von drei Wochen durchgeführt werden konnte. Dadurch konnte erstmalig ein vollständiger Vergleich der Bindetaschen aller hochauflösenden Kristallstrukturen, die bisher in der Protein Data Bank (PDB) erfasst wurden, durchgeführt werden. Auf der Grundlage dieser Daten kann nunmehr eine umfassende Vergleichsanalyse des kompletten Proteinraumes erfolgen, die nicht nur eine Klassifikation des Proteinraumes in strukturell und funktionell ähnliche homologe und nicht-homologe Proteingruppen erlaubt, sondern auch die systematische Suche nach unerwarteten Ähnlichkeiten und funktionellen Beziehungen unterstützt.

In einem gemeinsamen Projekt mit den Arbeitsgruppen Lenz und Mösch geht es um die Modellierung des in der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae vorhandenen Fus3/Kss1-MAPK-Signalwegs, der mindestens zwei unterschiedliche Differenzierungsprogramme steuert, die Fusion sexueller Partnerzellen und die Biofilmbildung. Das bisher entwickelte mathematische Modell zur Beschreibung der Dynamik der für die Biofilmbildung wichtigen Zell-Zell-Interaktion soll verfeinert werden, um die Abhängigkeit von Bindungseigenschaften und von Parametern wie Strömungsstärke, Gravitation und Auftrieb quantitativ untersuchen und experimentell validieren zu können. Da die für die Simulation des Modells benötigten Rechenzeiten auf handelsüblichen Rechnern sehr hoch sind, sollen die Berechnungen parallel auf mehreren Rechenkernen eines Rechner-Clusters (bzw. in einer Cloud) und GPGPU-Plattformen ausgeführt werden. Hierfür muss die in der existierenden Software enthaltene Variante einer “N-Body Simulation” entsprechend neu gestaltet werden, um die mit der Parallelisierung verbundenen Aspekte der Verteilung, Kommunikation und Synchronisation bezüglich der algorithmischen Iterationen und der Teilchenbewegungen im Raum zu berücksichtigen.