Erstellung eines morphologischen Architekturmodells mit biometri-

1. Projekt T1: Modellierung der Morphologie von Arabidopsis thaliana mit relationalen Wachstums-grammatiken unter GroIMP • Erstellung eines morphologischen Architekturmodells mit biometri- • schen Parametern (Grundlage: Artikel von Mündermann et al., 2005) • Verknüpfung biometrischer Parameter mit genetischer Information • Arabidopsis thaliana ist DIE Modellpflanze der Genetiker: • Morphologie vieler Mutanten beschrieben, sowie Verknüpfung mit • den sie verursachenden Genen • Modellierung von Dominanz und Rezessivität

2. Projekt T1: Modellierung der Morphologie von Arabidopsis thaliana mit relationalen Wachstums-grammatiken unter GroIMP topologisches Modell: Geometrie der Blattform:

3. Projekt T1: Modellierung der Morphologie von Arabidopsis thaliana mit relationalen Wachstums-grammatiken unter GroIMP Simulation der Entwicklung von Arabidopsis mit einem parametrischen L-System:

4. Projekt T1: Modellierung der Morphologie von Arabidopsis thaliana mit relationalen Wachstums-grammatiken unter GroIMP XL-Modell der Gerste: • Genom besteht aus einem Satz von zwei Chromosomen mit explizit lokalisierten Genen • --> jedes Gen deklariert als zwei Allele (Zustände, Formen) des gleichen Genlokus (z.B. Wildtyp, Mutante a, b, ...) • Dominanz: Allel d am Lokus a bestimmt den Phänotyp gegenüber allen anderen Allelen (z.B. r) am gleichen Lokus: • d ist dominant gegenüber r • r ist rezessiv gegenüber d • (Es gibt auch Übergänge, wenn Penetranz nicht gleich 100%) • Epistasis: Allel de am Lokus a dominiert Allel re am Lokus b

5. Projekt T1: Modellierung der Morphologie von Arabidopsis thaliana mit relationalen Wachstums-grammatiken unter GroIMP XL-Modell der Gerste: Verknüpfung von Genetik, Morphologie und Physiologie:

6. Projekt T2: Zellbiologisches Modell von Blumeria graminis (Mehltau) • Wirt-Parasiten-System Gersten-Mehltau (Blumeria graminis hordei • - Bgh) – Gerstenblattoberfläche (Hordeum vulgare) • Visualisiert werden soll der Entwicklungszyklus der Konidien • (asexuellen Sporen) von Blumeria graminis hordei. • Erweiterung eines XL-Modells des Lebenszyklus des Mehltaupilzes • der Gerste in der GroIMP-Plattform • Erwünschte Eigenschaften des Modells: • Eignung für die Erklärung von Methoden und Hypothesen v.a. im • zellbiologischen Bereich im Rahmen von Präsentationen. • Erstellung biologischer Grundobjekte (Spore, Hyphe, Haustorium, Epidermis-Zelle) als computergrafische 3D-Objekte in GroIMP • Das XL-Modell soll die Entwicklung des Pilzes von der Keimung der Spore bis zur Bildung neuer Sporen darstellen. • Implementierung des Transports von Assimilaten aus der Epidermiszelle in den Parasiten als Wachstumsmotor.

7. Blumeria graminis anamorph ...eine wichtige Getreide- krankheit. teleomorph

8. 24 h nach Inokulation

9. 72 h nach Inokulation

10. Simulation der Entwicklung in GroIMP: teleomorph

11. Projekt T3: Topologische Analyse biochemischer Reaktionsnetzwerke • biochemische Netzwerke... • ...haben eine Topologie:

12. Projekt T3: Topologische Analyse eines biochemischen Reaktionsnetzwerkes • Konnektivität von Knoten; kann dargestellt werden durch die Wahrscheinlichkeit P(k), daß ein Knoten k Kanten aufweist: Für ein zufälliges Netzwerk (a) weist P(k) einen starken Peak k = <k> auf; bei großen k nimmt P(k) exponentiell ab. In einem skalenfreien Netzwerk (c) weisen die meisten Knoten nur wenige Kanten (Links) auf, einige Knoten (Hubs) jedoch eine sehr große Anzahl von Links. Ein solches Netzwerk hat keinen Peak für P(k), für große k ist P(k)  k-(Steigung - in der logarithmischen Darstellung)

13. Projekt T3: Topologische Analyse eines biochemischen Reaktionsnetzwerkes Aufgabe: ein Tool (in GroIMP) zur topologischen Analyse eines biochemischen Netzwerkes Eingabe: Netzwerkspezifikation (XML-Format) Ausgabe: Anzahl Knoten/Kanten, Konnektivität, zentraler Knoten, Clustering coefficient, mittlere Pfadlänge, Netzwerktyp (Kategorie, z.B. skalenfrei), Dimensionalität

14. Projekt T4: 3D-Biomorphe mit Insektenformen, unter Verwendung von XL und von NURBS-Flächen in GroIMP • Biomorphs: von Richard Dawkins (engl. Zoologe) geschaffene, virtuelle Kreaturen • Prinzip: iterative Erzeugung einer Strichgrafik (Baum), gesteuert durch einen simplen Genotyp, bestehend aus 9 Genen: • Gene: 1) Orientierung und Länge der Striche (8): 19 Allele (-9, -8,..., 0, ..., 8, 9), 2) Rekursionstiefe des Baumes (1): 10 Allele (0..9) ==> riesiger multidimensionaler Parameterraum: zu groß, um vollständig durchschritten zu werden. • Allelwert steuert direkt über Entwicklungsregeln Orientierung und Länge eines Striches • Population: 15 Biomorphe, Nutzer wählt interaktiv einen Biomorphen aus, dieser reproduziert sich in der nächsten Generation. • Reproduktion: Mutation des parentalen Genotyps (zufällige Verschiebung jedes Genwertes um ±1) und Erzeugung 15 neuer Individuen, deren Genotyp sich vom parentalen Genotyp geringfügig unterscheidet.

15. Projekt T4: 3D-Biomorphe mit Insektenformen, unter Verwendung von XL und von NURBS-Flächen in GroIMP

16. Projekt T4: 3D-Biomorphe mit Insektenformen, unter Verwendung von XL und von NURBS-Flächen in GroIMP

17. Projekt T4: 3D-Biomorphe mit Insektenformen, unter Verwendung von XL und von NURBS-Flächen in GroIMP • Umsetzung als XL-Modell: • Nutzerinteraktion: • Auswahl von 1 oder 2 • Biomorphen (asexuelle • oder sexuelle Reproduktion) • sexuelle Reproduktion: • Mutation und genetische • Rekombination (crossing-over):

18. Projekt T4: 3D-Biomorphe mit Insektenformen, unter Verwendung von XL und von NURBS-Flächen in GroIMP Aufgabe: Erstellung insektenartiger Biomorphe Ersetzung der Strichgrafiken durch NURBS-Flächen BAMZOOKI: ein Lern-/Spielprojekt von Children's BBC: www.bbc.co.uk/cbbc/bamzooki/

19. Projekt T5: Erstellung taxonomischer Bäume auf Basis von Sequenzdaten in GroIMP • Taxonomische Bäume dienen der Visualisierung von Verwandt- • schaftsverhältnissen zwischen "Taxa" (Familien, Gattungen, Arten, • Sorten, Populationen) in der Tier- und Pflanzenwelt • Datenquellen: Merkmale, die zwischen den Taxa eine erhebliche • Variation aufweisen, d.h. sich unterscheiden. • Je weniger Unterschiede ... • ...desto größer die Verwandtschaft • ...desto jünger die Abspaltung der Taxa voneinander • ...desto näherdie Taxa zueinander im Baum • morphologische Merkmale (Blütenfarbe, Blattlänge, ...) • kurze (30-100 Basenpaare) DNA-Sequenzen (Kern-DNA, Chloroplasten-DNA) • oft verwendete DNA-Bereiche: nicht-kodierende Sequenzen ausserhalb eines • Gens: größere Variabilität, da hier Mutationen 'gesammelt' werden, z.B. • trnL-trnF intergenic spacer (Sequenz aus der Chloroplasten-DNA)

20. Projekt T5: Erstellung taxonomischer Bäume auf Basis von Sequenzdaten in GroIMP • Aufgabe: Nachbau eines Teils der Funktionalität des Programms • ClustalW (http://www.ebi.ac.uk/cgi-bin/clustalw) in GroIMP: • Eingabe: Multiple Sequenzen (Fasta) bzw. ClustalW-Ausgabeformat (DND) • Ausgabe: verschiedene Baumdiagramme rooted tree: unrooted tree:

21. Projekt T5: Erstellung taxonomischer Bäume auf Basis von Sequenzdaten in GroIMP rectangle cladogram: slanted cladogram:

22. Projekt T6: Ontologische Visualisierung von Genexpressionsdaten aus Makroarray-Experimenten • Als Transkriptom wird die Gesamtheit aller mRNA-Spezies einer Zelle unter jeweils bestimmten Bedingungen definiert. • Die Transkriptomanalyse ermöglicht die vollständige, "globale" Erfassung des Genexpressionsstatus eines Organismus unter definierten Bedingungen. • Wesentliche Voraussetzung dafür: (vollständige/partielle) Sequenzierung des Genoms. • Auf der Grundlage der so ermittelten (Total)sequenz ist es möglich, sogenannte DNA-Arrays ("DNA-Chips") für die Transkriptomanalyse herzustellen. • Proteomanalyse: Globale Analyse des Protein-Pools einer Zelle unter definierten Bedingungen. Noch wichtiger als Untersuchung des Transkriptoms, da Proteine die eigentlichen Akteure im zellulären Geschehen sind. Nachteile: Feinauflösung der Proteomanalyse aus technischen Gründen erheblich unter derjenigen des Transkriptoms. Proteomanalyse erfasst stets nur einen Teil der Proteine • Die globale Charakterisierung der Genomexpression mittels Transkriptom- und Proteomanalyse wird unter dem Oberbegriff "Funktionelle Genomanalyse" (functional genomics) zusammengefasst.

23. Projekt T6: Ontologische Visualisierung von Genexpressionsdaten aus Makroarray-Experimenten • Makroarrays erlauben die gleichzeitige Bestimmung der Genexpression (d.h. Genaktivität) eines Organismus ==> sogenannte Transkriptomanalyse • Ein Makroarray besteht aus einer Trägermatrix (Nylon), auf der in einem definierten zweidimensionalen Koordinatensystem DNA-Fragmente fixiert sind. • Diese entsprechen identifizierten Genen. Ein Makroarray repräsentiert also (oft) das gesamte bekannte Genom eines Organismus. • 3 Subarrays, bestehend aus jeweils • 16 x 24 Sub-Subarrays: Sub-Subarray: 5 x 5 spots 2 background spots: mögliche Anzahl überprüfbarer Gene: 3 x 16 x 24 x 11 = 12672.

24. Projekt T6: Ontologische Visualisierung von Genexpressionsdaten aus Makroarray-Experimenten Methodik der Transkriptomanalyse: 1) RNA-Präparation: Kultur des Organismus unter verschiedenen Bedingungen, die verglichen werden sollen. Anschließende Isolation der Total-RNA aus den Kulturen. 2) Reverse Transkription: Umschreibung der mRNA in DNA durch reverse Transkription ==> cDNA (copy-DNA); letztere wird dabei gleichzeitig radioaktiv markiert. Entfernung der RNA. Verbliebene cDNA repräsentiert den mRNA-Pool = Transkriptom, zum Zeitpunkt der Probenentnahme. 3) Sukzessive Hybridisierung: Nacheinander Inkubation des Makroarrays mit beiden cDNAs, dabei Entfernung der ersten cDNA-Präparation vor dem Einsatz der zweiten. cDNA-Moleküle binden dabei an ihre komplementären Gegenstücke auf dem Macroarray. Signalstärke auf dem Array ist Funktion der Menge an genspezifischer RNA = gebundener cDNA. Nach Beendigung einer Hybridisierung: Exponierung des radioaktiv markierten Makroarrays auf speziellen Signalerfassungsschirmen. Speicherung der Signale als digitale Bilder. 4) Datenauswertung: Vergleichende Analyse der erhaltenen zweidimensionalen Signalpunktmuster mit Computerprogrammen. Muster repräsentieren unterschiedliche Zustände des Transkriptoms.

25. Projekt T6: Ontologische Visualisierung von Genexpressionsdaten aus Makroarray-Experimenten • Experimente an Nutzpflanzen unter verschiedenen Bedingungen (Stress: • Parasiten, Trockenheit) (IPK) •  Genaktivität unter solchen Bedingungen (wie reagiert die Pflanze?) • Rückschlüsse auf zugrunde liegende genetische Funktions-/ Regelungsnetzwerke • Ausgangslage: sehr viele Meßwerte (ca. 4500 pro Experiment) • Herausforderung: Abbildung der exprimierten Gene auf die zugrundeliegenden • biologischen Vorgänge (Stoffwechselweg, Proteinsynthese) • Expressionsprofil: z.B. Aktivität eines bestimmten Stoffwechselwegs in Bezug • auf verschiedene Entwicklungsstadien der Pflanze • Erfassung von Expressionsdaten: DB-Informationssystem FLAREX (IPK) • Funktionsklassifikation der gemessenen Gene: DB-Integrationssoftware DBOra. • Quellen der Funktionsklassifikation: öffentliche Datenbanken (Gene Ontology, • KEGG).

26. Projekt T6: Ontologische Visualisierung von Genexpressionsdaten aus Makroarray- Experimenten Vorarbeiten am IPK: JAVA-Anwendung GOV (GeneOntology-Visualisierung)

27. Projekt T6: Ontologische Visualisierung von Genexpressionsdaten aus Makroarray- Experimenten • Aufgabe: • Visualisierung der Expressionsprofile bezgl. von Funktionsklassen • 2D,3D-Liniendiagramme (siehe GOV) • Expressionsdaten liegen in einer relationalen ORACLE-Datenbank vor, Abfrage möglich mittels SOAP-WebServices • (SOAP = Simple Object Access Protocol; erlaubt Austausch von Objekten zwischen Client und Server; auf verschiedenen Betriebssystemen laufende Programme können so über eine Art XML miteinander kommunizieren). • Umsetzung als Java-Plugin für GroIMP • vom Nutzer frei wählbar: • Gene, • jeweilige Funktionsklasse (z. B. bestimmter Stoffwechselweg oder Klasse von Stoffwechselwegen), • Experimentreihe

28. Projektarbeit?? • Six Phases of a Project • 1 Enthusiasm • 2 Disillusionment • 3 Panic • 4 A Search for the Guilty • 5 The Punishment of the Innocent • Praise and Honor for the Non- • Participants

29. Projektarbeit!! • Vorstellung der Projektthemen • Bildung der Gruppen • Formale Strukturierung der Gruppen ("Postenvergabe") • Formulierung des Projektthemas durch jede Gruppe (bis ½ Seite) • Abgleich des Themas mit dem Betreuer • Gliederung der Projektarbeit in Etappen oder 'Milestones' • Verteilung der Aufgaben innerhalb der Gruppe • Literatur-, Web-Recherche • Vorformulierung von Teilen des Berichts bzw. • der Präsentation (früh damit anfangen!!) • Programmieraufgaben • Informationsbeschaffung/-austausch durch Kontakte zu • anderen Gruppen, zum Berater, oder zu entsprechenden • Experten im In- und Ausland (über Diskussionsforen etc.) • ......... • n. Präsentation, Projektbericht