Aufgabenstellung

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Die Tatsache, daß sich komplexe vielzellige Organismen aus einer einzigen Zelle mit
beschränktem Informationsgehalt entwickeln können, stellt eines der faszinierendsten
Phänomene in den Lebenswissenschaften dar. Obwohl jede Zelle des menschlichen Körpers
die gleiche genetische Information beinhaltet, gibt es trotzdem sehr viele verschiedene, auf
bestimmte Aufgaben spezialisierte Zelltypen (z.B. Nervenzellen, Leberzellen, Hautzellen
etc.). Diese Zelltypen entstehen aus gemeinsamen Vorläufern, den sogenannten
Stammzellen, welche noch das Potential haben, sich in verschiedene spezialisierte Zellen zu
differenzieren.
Einige der für die Differenzierung von Stammzellen verantwortlichen Mechanismen sind
bereits aufgeklärt und entsprechende Modelle wurden aufgestellt. Die Grundlage hierfür
liefert der enorme technologische Fortschritt auf dem Gebiet der Molekularbiologie und die
immensen Datenmengen, die durch die modernen Techniken generiert werden. Trotz dieser
riesigen Datenbasis zu Modellorganismen wie C.elegans, Drosophila und Maus konnte die
Entwicklung von bioinformatischen Methoden zur Analyse und Integration dieser Daten nicht
schritthalten. Dies ist nicht zuletzt in der Komplexität und Nonlinearität der betrachteten
Systeme begründet. Zudem ist die Übertragung von Ergebnissen aus der Forschung an
Modellorganismen auf den Menschen nur begrenzt möglich. Direkte Forschungen an
menschlichen embryonalen Stammzellen sind wiederum aus ethischen Gründen umstritten –
zum Zweck der Gewinnung dieser Stammzellen müßten entsprechende menschliche
Embryonen gezüchtet und gezielt abgetötet werden.
Einen wichtigen Beitrag zum Verständnis von Differenzierungsvorgängen kann die
Simulation der beschriebenen komplexen entwicklungsbiologischen Modelle liefern. Um die
Ergebnisse der Simulation mit den experimentellen Beobachtungen vergleichen zu können,
bedarf es einer dedizierten Visualisierung.
Aufgabe dieser Arbeit ist es zunächst, den Stand der Forschung im Bereich der Simulation
und Visualisierung der Zelldifferenzierung zu analysieren. Aus dieser Analyse ist eine
Anforderungsbeschreibung an ein Visualisierungssystem zu formulieren. Dabei sind auch die
Anforderungen an eine Schnittstelle zu Simulationswerkzeugen zu erarbeiten. Es ist ein
eigenes Konzept eines Systems zur Visualisierung von Zelldifferenzierungssimulationen zu
erstellen. Hierbei soll die Schnittstelle zu existierenden Simulatoren beachtet werden. Es ist
weiterhin zu prüfen, welche Voraussetzungen der Einsatz von Grid Computing an das
System stellt. Das Konzept soll die dreidimensionale Visualisierung der Entwicklungsprozesse und der dynamischen Zellzustände beinhalten. Dabei soll die Visualisierung
möglichst so konzipiert sein, daß eine prinzipielle Vergleichbarkeit mit realen
Mikroskopieaufnahmen (Transparenz der Zellen, Fokussierung auf verschiedene Ebenen)
gegeben ist, ohne dabei auf die erweiterten Möglichkeiten der computergraphischen
Visualisierung zu verzichten.
Das Konzept soll in einer prototypischen Implementierung validiert werden. Hierzu kann statt
einer Anbindung an ein existierendes Simulationssystem eine eigene rudimentäre Simulation
zugrundegelegt werden. Als Programmiersystem soll Java/Java3D Verwendung finden,
Zielsystem ist der PC.