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15.09.2020

Visuelle explorative Web-Anwendung für Flussstichprobenergebnisse

In seiner Masterarbeit erstellte Constantin Holzapfel eine visuelle explorative Webanwendung zur Visualisierung von Flussstichprobenergebnissen und zur Unterstützung des Benutzers bei der Suche nach relevantem Modellverhalten.

Teil einer Webanwendung, die zur Identifizierung von Hochinteressensreaktionen gereihte standardisierte Reaktionspunktzahlen verwendet. Die detaillierten Flussverteilungen können auf Anfrage eingesehen werden.

Modellierungsmethoden auf Restriktionsbasis können den metabolischen Phänotyp von Zellen und Organismen auf molekularer Ebene vorhersagen. In verschiedenen instabilen Umgebungen lässt sich ein zelluläres Ziel jedoch nicht leicht identifizieren. Folglich ist die Flussstichprobennahme eine unvoreingenommene einschränkungsbasierte Modellierungsmethode, die in solchen Situationen angewendet wird. Die Methode liefert Informationen über Reaktionsflussbereiche und deren Wahrscheinlichkeit für ein genomskaliertes Stoffwechselmodell (GEM). Die Simulationen von Flussstichproben erzeugen eine Vielzahl von Daten aus GEMs. Daher sind datengesteuerte Methoden erforderlich, um die Ergebnisse als Ganzes zu analysieren, anstatt sich auf eine Teilmenge bekannter wesentlicher Reaktionen zu konzentrieren.

In seiner Masterarbeit entwarf und implementierte Constantin Holzapfel eine Lösung für eine datengetriebene exploratorische Webanwendung. Die daraus resultierende Software kann die Ergebnisse der Flussstichproben-Simulation unter Verwendung aktueller Datenvisualisierungsprinzipien direkt in gängigen Webbrowsern visualisieren und analysieren. Eine Kombination aus standardisiertem Punktesystem für Flussunterschiede, Flussverteilungen und Pfadnetzvisualisierungen wurde verwendet, um den Analyseprozess gemäß Shneidermans Mantra der visuellen Informationssuche „Überblick zuerst, heranzoomen und filtern, Details auf Anfrage” zu steuern.

In einer Fallstudie wurde der Metabolismus der roten Blutkörperchen (RBC) mit dem GEM „RBC iAB_RBC_283” in verschiedenen Blutplasma-Umgebungen untersucht. Constantin Holzapfel beschränkte dieses GEM mit extrazellulären metabolomischen Messungen. Zu diesem Zweck wurden den Athleten zu folgenden Zeitpunkten Blutproben entnommen: vor und nach hochintensivem Training sowie zwei Stunden nach dem Training.

Die Simulationsergebnisse zeigten den Einfluss von Glukose zu diesen Zeitpunkten und wie sich die reduzierten Glutathionspiegel verändern, um einen höheren Schutz vor reaktiven Sauerstoffspezies während des Trainings zu gewährleisten.

Netzwerk-Visualisierung des Glykolyseweges. In dieser Abbildung kann die allgemeine Konnektivität zwischen Metaboliten und Reaktionen untersucht werden. Hier kanalisieren Kanten die Reporter-Punktzahlen entweder für Metaboliten- oder Reaktionspunktzahlen.

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