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Kollegiale Rechenhilfe

(21.09.2020) Use your power – und zwar die eines Computers. Mit „Distributed Computing“ lässt sich ganz einfach zum Beispiel die RNA-Forschung vorantreiben.
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Flüssigkeitsgekühlter „Smartphone Cluster“ (links), E. coli 6S RNA (hellblau) im Komplex mit der Beta-Untereinheit der E. coli-RNA-Polymerase (dunkelgrün)

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Forschung nach Feierabend – ohne auch nur einen Finger zu krümmen. Das geht. Das Zauber­wort heißt: Distributed Computing (DC) oder zu deutsch: Verteiltes Rechnen. Alles, was man tun muss, ist den Rechner anschalten (ok, dafür muss unter Umständen ein Finger gekrümmt werden), schon beteiligt sich die CPU oder GPU (die Grafikkarte) mit ihrer Rechen­power an wissen­schaft­lichen Projekten.

Zum Beispiel zur SARS-CoV-2-Bekämpfung. So lässt beispiels­weise die Plattform Folding@home, koordiniert von der Universität Stanford, momentan das Non-Structural Protein 8 (NSP8), einer von zwei Co-Faktoren der viralen Haupt­polymerase NSP12, simulieren, um mögliche Angriffs­punkte für Medikamente zu finden. Generell geht es bei Folding@home um Simulationen molekularer Dynamiken. Dabei wird durch „virtuelles Rütteln“ einer zu Beginn entfalteten Amino­säurekette versucht, eine stabile Konformation des Proteins zu finden.

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Riesige Rechenleistung

„Together we are powerful“ ist der passende Slogan der DC-Plattform. Und in der Tat konnte das Team hinter den Protein-Zuhause-Faltern kürzlich auf bioRxiv berichten, dass sich mehr als eine Million Menschen speziell am SARS-CoV-2-Projekt beteiligt und gemeinsam so den „weltweit ersten ‚Exascale Computer‘“ geschaffen haben. Was in etwa der Rechen­leistung des menschlichen Gehirns auf neuraler Ebene entspricht.

Auch in Deutschland hat man schon lange das Potenzial von Verteiltem Rechnen erkannt – sowohl für die Wissen­schaft selbst als auch für die Kommu­nikation von Wissen­schaft in die Öffent­lichkeit (Stichwort: Citizen Science). Seit 15 Jahren gibt es den gemein­nützigen Verein Rechenkraft.net e. V. mit Sitz in Marburg. „Rechenkraft.net war zunächst eine Online-Community von Computer-Enthusiasten, die mit ihren privaten Computern an großen wissen­schaftlichen Projekten mitrechnen wollten“, blickt Michael Weber, Vorstandsvorsitzender des Vereins und Chemiker, zurück. „Damals war es noch so, dass die CPU-Architekturen keinerlei Strom­sparfunktionen besaßen, sodass es bestenfalls einen Unterschied von 15 W machte, ob ein typischer PC nur ‚idle‘ herum­stand oder unter Volllast lief. Die Dinger anlassen, ohne etwas darauf zu rechnen, war also reine Energie­vergeudung.“ Bedenkt man, dass damalige Office-Anwendungen gerade mal 5 % der CPU-Last benötigten, hatte man also in der Tat sehr viel „freie Energie“ übrig, die sich „sinnvoll ausreizen“ ließ.

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Wettrechnen für die Wissenschaft

Genau das taten die angehenden Vereins-Gründer auch und beteiligten sich im Team an weltweiten DC-Projekten. International waren sie meist unter den Top 10, berichtet Weber nicht ohne Stolz. Daneben begann man, für andere Computer-Enthusiasten mit Wissen­schafts-Faible alle laufenden DC-Projekte weltweit aufzulisten und die Infos online zur Verfügung zu stellen. Jeder Interessierte konnte sich so sein Lieblings­projekt rauspicken – ob in der Evolutions­biologie, Astrophysik oder Krebs­forschung – und losrechnen. „Citizen Science in Reinstform“, sagt Weber. Schließlich gründete man, „weil unsere Begeisterung für das Thema immer weiter zunahm“ und auch um weiter oben mitmischen zu können und DC populärer zu machen, Ende 2004 den „Verein zur Förderung von Bildung, Forschung und Wissen­schaft durch Einsatz vernetzter Computer“ Rechenkraft.net e. V.

Immer nur bei anderen mitrechnen, war den Vereins­mitgliedern auf Dauer jedoch zu langweilig. Deshalb startete man 2009 mit dem ersten eigenen DC-Projekt durch: RNA World. RNA deshalb, weil man „fehlende Rechenkraft für dieses wichtige Forschungs­thema“ diagnostiziert hatte. „Entgegen anders lautender Annahmen sehen wir Zellen als ‚RNA-Maschinen‘, in denen Proteine im Grunde immer dieselben Standard­aufgaben übernehmen. (...) Die Faszination liegt für uns also eher im noch immer weitgehend unbekannten ‚RNA-Universum‘“, erläutert Weber.

Um diese Wissens­lücken zu schließen, ging es bei RNA World zunächst ganz simpel darum RNA-Familien zu identi­fizieren, und zwar in neu sequen­zierten Genomen aller Organismen-Klassen. Keine leichte Aufgabe, weil man, so Weber, nicht nur die Primär­sequenz berück­sichtigen muss, sondern auch die Sekundär­struktur. Und das bedeutet mehr Rechenaufwand und notwen­digerweise auch experimentelle Daten. „Die Daten stammen aus den üblichen, öffentlichen Genom-Datenbanken des EMBL-EBI (Europa) oder NCBI (USA), wobei unser Schwerpunkt bislang auf den europäischen Daten­banken lag. Bekannte RNA-Familien extrahieren wir aus der Rfam-Datenbank, die damals notorisch veraltet war (und auch heute noch ist).“

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Infernale Identifikation

Identifiziert wird über das Software-Paket INFERNAL, das ursprünglich für Linux-Rechner programmiert wurde. Um das Paket auch auf weiter verbreiteten Rechnern mit Windows-Betriebssystem zum Laufen zu kriegen (besser geeignet für Citizen-Science-Projekte), hat man kurzerhand den Code umgearbeitet. Auch im Austausch mit den ursprüng­lichen Entwicklern Sean Eddy und Eric Nawrocki, damals am HHMI Janelia Farm Research Campus in den USA.

„Vom Arbeitsprinzip her nimmt RNA World/INFERNAL sich also das Erbgut eines neu sequen­zierten Organismus vor und kartiert in diesem über ‚stochastic context-free grammars‘ auf der Basis eines sogenannten Kovarianz-Ansatzes systematisch alle bekannten RNA-Familien. Darüber hinaus ermöglicht RNA World z. B. auf Basis experi­menteller Labor­ergebnisse das Erstellen eigener RNA-Kovarianz-Modelle und die sukzessive Suche nach homologen Familien­mitgliedern für diese in neuen Genom-Datensätzen“, erklärt Weber.

Fast 20.000 Rechner von mehr als 6.000 Teilnehmern rechnen bei RNA World mit. Dabei kann sich eine Rechen­aufgabe in Ausnahmefällen auch schon mal ein ganzes Jahr hinziehen. Das zeugt von Durch­haltevermögen der vielen beteiligten Bürger-Wissenschaftler. „Wir wollten zeigen, dass eine Gemeinschaft von wissen­schaftlich interessierten Laien in der Lage ist, auch in reiner Freizeit­arbeit, professionellen Bioinformatik-Einrichtungen das Wasser reichen zu können“. Und das ist geglückt. Grundlage dafür ist eine gute Kommuni­kation zwischen beiden Seiten, meint Weber.

Momentan ist RNA World in einer Über­gangsphase, ergänzt der Chemiker. Letzte, aufwendigere Rechen­aufgaben werden abgeschlossen und das Software-System danach general­überholt und mit neuen Anwendungen ausge­stattet, die z. B. Simulationen zu Molecular Docking, Virtual Screening und Molecular Dynamics erlauben. „Natürlich alles auf Basis von frei zugänglicher, quelloffener Software“, fügt Weber hinzu.

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Fix veröffentlicht

Auch soll daran gearbeitet werden, dass Ergebnisse schneller einsortiert, aufbereitet und somit schneller veröffentlicht werden können. „Man unterschätzt als Anfänger leicht, was da an Daten auf einen zukommt. Es ist uns mehrfach passiert, dass unabhängige universitäre Forscher­gruppen Erkenntnisse, die wir mit RNA World gewonnen hatten, vor uns publizierten.“

Möglich ist aber auch eine Zusammen­arbeit, bei der Forscher den RNA-World-Super­computer mit ihren eigenen Daten füttern. Weber: „Bei uns kann man über ein einfaches Web­formular die gewünschte Applikation auswählen, seine Projekt­dateien hochladen und bekommt die Ergebnisse nach Fertig­stellung als Download präsentiert. Mir ist kein aktives ‚Distributed-Computing‘-System bekannt, das diesen Ansatz bietet.“ Einzige Voraus­setzung ist eine Regis­trierung und die bisherige Teilnahme an wenigstens ein paar Rechen­aufgaben auf RNA World. Wer Interesse hat, kann sich gern bei Rechenkraft.net e. V. melden, auch mit Vorschlägen für Software, die in RNA World integriert werden könnte.

Inzwischen ist aus dem Verein für DC-Begeisterte sogar ein ganzer tecSPACE geworden, eine offene Werkstatt mit 3D-Drucker, Lasercutter/-engraver, VirtualReality-Arbeits­umgebung, Oszilloskop, Labor­netzteil, Lötstation, Mikroskop und CNC-Fräse, die zur freien Verfügung stehen für alle Menschen mit guten Ideen. „Wir möchten in der Bioinformatik einer OpenPharma-Idee Vortrieb leisten, die wiss­begierige Menschen in die Lage versetzt, eigene Forschungs­projekte zu verfolgen“, sagt Weber. „Grundsätzlich geht es uns auch darum zu zeigen, dass altruistisches Handeln einer kooperativ agierenden Gemeinschaft durchaus leistungs­stärker sein kann als Konkurrenz-basierte, kommerzielle Service­leistungen.“

Kathleen Gransalke

Foto: Rechenkraft.net e. V.



Letzte Änderungen: 21.09.2020

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