Zweidimensionale Visualisierung von Molekülgraphen in Java

Student:Olga Urzova
Title:Zweidimensionale Visualisierung von Molekülgraphen in Java
Type:study thesis
Advisors:Meinl, T.; Fischer, I.; Philippsen, M.
State:submitted on October 10, 2005
Prerequisits:

Studierende, die in dieser Arbeitsguppe mitwirken möchten, sollten Spaß am Programmieren haben und gute Javakenntnisse besitzen. Außerdem sind gute Chemiekenntnisse von Vorteil.

Topic:

Hintergrund
Die Arbeitsgruppe ParMol wurde im März 2004 gegründet. In ihrem Rahmen sollen neue Verfahren entwickelt werden, um in großen Datenbanken interessante Zusammenhänge zwischen chemischen Strukturen zu finden. Diese Zusammenhänge sollen als Molekülfragmente, d.h. in Form von Zusammenhangsgraphen dargestellt werden. Ein Anwendungsgebiet ist z.B. die in vitro Vorhersage von toxischen Seiteneffekten von Medikamentenkandidaten schon vor in vivo oder klinischen Tests. Im Gegensatz zu bisher bekannten Verfahren sollen auch ähnliche Strukturen gefunden werden, die biologisch oder chemisch die gleiche Wirkung zeigen. Um den dadurch entstehenden, deutlich höheren Rechenbedarf zu decken, werden die entwickelten Verfahren parallelisiert und so entworfen, dass sie sich auch für die Bearbeitung auf verteilten Ressourcen eignen. In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Bioinfomatik und Maschinelles Lernen der Universität in Konstanz soll in den nächsten Jahren eine Reihe von neuen Verfahren und Methoden auf diesem Gebiet entwickelt werden.
Die bereits im Projekt implementierten Algorithmen geben die gefundenen Fragmente in der sogenannten SLN-Darstellung aus. Diese Darstellung ergibt aber für den Vergleich und die Untersuchung der Fragmente durch den Endbenutzer nur bedingt geeignet. Ein wesentlicher Fortschritt wäre es, die Fragmente graphisch darzustellen.

Aufgabe
Bereits vorhandenen Softwarepakete aus dem Bereich der Bioinformatik bieteten entweder "nur" dreidimensionale Darstellungen der Moleküle [1] oder sind auf das interaktive Zeichnen spezialisiert [2]. Programme zum Zeichnen von allgemeinen Graphen berücksichtigen das Einsatzgebiet zu wenig und ist zudem oft nur "offline" verwendbar [3].
In dieser Studienarbeit soll für Projekt deswegen ein Modul zum automatischen Visualisieren der zweidimensionalen Struktur von Molekülen und Fragmenten programmiert werden. Die Aufgabe unterscheidet sich insofern von der Visualisierung allgemeiner Graphen, als das bestimmte chemische Besonderheiten und Konventionen berücksichtigt werden sollen. Zum Beispiel ordnen sich Bindungen an Abzweigungen unter bestimmten Winkeln an und aromatische Ringe werden durch einen Kreis innerhalb des Ringes dargestellt. Zur besseren Lesbarkeit ist auch die Verwendung von Farben für die unterschiedlichen Atom- und Bindungstypen wünschenswert.
Die Darstellung soll möglichst schnell erfolgen, so dass auch während der Suche nach häufigen Fragmenten bereits Zwischenergebnisse angezeigt werden können. Dazu sind die bereits im Arbeitsspeicher vorhandenen Graphobjekte zu verwenden.
Das zu entwickelnde Modul soll sich am Ende leicht in Java-GUIs (Swing oder AWT) einbinden lassen. Wünschenswert wäre eine automatische Skalierung der Darstellung, wenn die Komponente vergrößert oder verkleinert wird. Sofern es Umfang und Aufwand der bis hier beschriebenen Arbeiten zulassen, soll zusätzlich eine Exportfunktion in ein Vektor- oder Rasterformat realisiert werden.

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