KI zur Vorhersage von Proteinstruktur

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 14.08.2019

Die Funktion von Eiweißen wird wesentlich von ihrer Gestalt festgelegt, diese zu bestimmen, war bislang aufwendig und teuer. Ein Team des KIT hat eine effizientere Methode erdacht.

Proteine sind Hochleistungsbiomaschinen: Eiweiße finden sich in jeder Zelle und spielen im menschlichen Körper eine wichtige Rolle, etwa bei der Blutgerinnung oder als Hauptbestandteil von Haaren oder Muskeln. Welche Funktion die molekularen Werkzeuge jeweils erfüllen, lässt sich an ihrer Gestalt erkennen. Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben eine neue Methode entwickelt, diese Proteinstruktur mittels Künstlicher Intelligenz vorherzusagen.

Proteine können mit anderen Molekülen durch Eindringen oder Umschließen interagieren, je nach Form. Diese lässt sich – anders als beim Blick in den heimischen Werkzeugkasten – nicht ohne weiteres feststellen, sondern nur mit teuren und aufwendigen Experimenten. Forscherinnen und Forscher des Steinbuch Centre for Computing (SCC), dem Rechenzentrum des KIT, haben dafür zunächst Datenbanken für Proteinsequenzen durchkämmt und gleiche Proteine unterschiedlicher Spezies verglichen. „Hämoglobin, das in unserem Körper für den Sauerstofftransport zuständig ist, gibt es auch beim Insekt, bei der Feldmaus und beim Schimpansen“, erklärt Markus Götz, Datenanalyst beim SCC. Den Aufbau eines Proteins kann man sich dabei wie eine Perlenkette vorstellen, an der Proteinteile, die Aminosäuren, aufgereiht sind. Seine dreidimensionale Struktur – und damit seine Eigenschaften – erhält es, indem sich manche weit voneinander entfernte „Perlen“ zu Paaren zusammenschließen und das Protein so falten. Bei verschiedenen Organismen können sich diese Paarungen unterscheiden, die Eigenschaften des Proteins bleiben aber dennoch gleich. „Schädliche Mutationen wurden im Laufe der Evolution ausgefiltert“, sagt Götz.

Das Team um Götz hat nun einer Künstlichen Intelligenz (KI) beigebracht, welche Kopplungen in bekannten Proteinsequenzen evolutionär erfolgreich waren. „Wir erwarten, dass das System so auch Rückschlüsse auf den Aufbau unbekannter Proteinsequenzen ziehen kann“, so Götz. Der Nutzen: „Es ist sehr einfach zu bestimmen, aus welchen Aminosäuren eine Proteinkette besteht. Proteinstrukturen direkt experimentell zu bestimmen, ist aber sehr aufwendig und kostet Millionen“, ergänzt Alexander Schug vom SCC.

Der Ansatz, Kontakte in Proteinen von einer KI vorhersagen zu lassen, ist nicht ganz neu. „Aktuell werden dafür vor allem Methoden aus der Bildverarbeitung eingesetzt“, sagt Götz. Solche Neuronalen Netzwerke könnten Muster gut erkennen. Bei der Proteinstruktur spielten aber besonders jene Kontakte von Proteinteilen eine Rolle, die besonders weit auseinander liegen, weil sie beim Falten einen stärkeren Einfluss auf die Form haben als solche, die nahe beieinander liegen. „Daher verfolgen wir stattdessen einen Ansatz aus der automatisierten Sprachübersetzung. Wir betrachten die Aminosäureketten als Sätze, die in eine andere Sprache übersetzt werden.“ Sogenannte „Self-Attention Neural Networks“ kommen in populären Übersetzungsprogrammen zum Einsatz. Sie können erkennen, welche Teile des Satzes miteinander in Beziehung stehen oder – im Proteinkontext – welche Aminosäuren miteinander einen Kontakt bilden. (mex)

Externer Link: www.kit.edu

Neuer Weltrekord im Codeknacken stellt Online-Sicherheitssysteme in Frage

Pressemeldung der Universität Passau vom 02.08.2019

Unter Beteiligung der Universität Passau hat ein internationales Team von Mathematikern ein neues Verfahren zum Knacken kryptographischer Codes entwickelt und einen neuen Weltrekord aufgestellt. Die Forscher gehen davon aus, dass eine bestimmte Variante von Verschlüsselungssystemen, die aktuell bei der Absicherung von Online-Transaktionen im Einsatz sind, damit nicht mehr sicher nutzbar ist.

Die Kryptographie, die Kunst des geheimen Schreibens, ist etwa so alt wie die Verbreitung der Schrift selbst, ihre Geschichte so spannend wie aufschlussreich. Die Erkenntnisse der Kryptographie finden in unserem Alltag Anwendung in Form von Verschlüsselungs- und Signatursystemen. Derartige Systeme verwenden Zahlen mit hunderten Stellen um zum Beispiel Bankdaten bei Onlinezahlungen oder vertrauliche Informationen im E-Mailverkehr zu schützen. Die Sicherheit der verbreiteten Public-Key-Verschlüsselungsverfahren beruht im Wesentlichen auf zwei algorithmischen Problemen, dem diskreten Logarithmusproblem und dem Faktorisierungsproblem. Dies sind hochgradig schwierige mathematische Probleme, welche bisher selbst bei Verwendung aktueller Supercomputer Billionen von Jahren zur Lösung benötigten.

Fünf Forschende von der Universität Passau, der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), dem niederländischen Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) und der englischen University of Surrey haben nun ein solches Problem geknackt: Sie berechneten diskrete Logarithmen in einem mathematischen Rechenbereich, einem sogenannten binären Körper, mit genau 30750 Bits, was Dezimalzahlen mit 9257 Stellen entspricht. Diese Größe schlägt den vorherigen Rekord in einem Körper mit 9234 Bits bzw. 2780 Dezimalstellen, welcher 2014 von Robert Granger (Surrey), Thorsten Kleinjung (EPFL) und Jens Zumbrägel (Passau) aufgestellt wurde. Dieses Trio hatte bereits 2014 auch einen 128-Bit-sicheren Industriestandard geknackt, der ebenfalls auf dem diskreten Logarithmusproblem basiert.

Seither haben Granger, Kleinjung und Zumbrägel einen noch schnelleren Algorithmus entwickelt. Einige Kryptographieexperten waren bisher weiter von der Sicherheit entsprechender Verschlüsselungsmethoden ausgegangen und empfahlen diese teils sogar explizit zur Verwendung für Zahlen ab ca. 16000 Bits Größe. Zusammen mit Arjen K. Lenstra (EPFL) und Benjamin Wesolowski (CWI) hat das Forschertrio das diskrete Logarithmusproblem nun in 30750 Bits gelöst – und so demonstriert, dass solche Empfehlungen nicht haltbar sind. Der neue Rekord benötigte drei Jahre auf verschiedenen Computerclustern. Dies entspricht ca. 2900 Jahre auf einem Single-Core-PC, wie er bis 2005 Standard war. Auch wenn drei Jahre immer noch nach einer langen Zeit klingen: Die mathematischen Fortschritte der letzten Jahre und die immense Steigerung der Rechenleistung machen deutlich, dass diese Variante von Verschlüsselungssystemen bereits heute keine absolute Sicherheit mehr bietet.

Nach der Einschätzung von Dr. Robert Granger, Lecturer in Secure Systems an der University of Surrey, sei der Weltrekord eine fantastische Leistung, welche zeige, dass dieser bislang wesentliche Teil der kryptographischen Welt nun der Vergangenheit angehören sollte. Andererseits gebe es auch konstruktive Anwendungen solch schneller Algorithmen, sogar in der Kryptographie selbst, weswegen Granger von einer Win-Win-Situation spricht. Prof. Dr. Jens Zumbrägel, Inhaber der Professur für Mathematik mit Schwerpunkt Kryptographie, ergänzt: „Solch großformatige Berechnungen helfen uns zu verstehen, wo Gefahren lauern und können zu Einsichten führen, welche in anderen Szenarien angewandt werden. Deswegen sind diese Experimente immens wichtig für die Beurteilung der Sicherheit der heutigen Kryptographie.“ Zumbrägel stellt jedoch auch klar, dass andere Kryptosysteme, welche etwa auf Faktorisierung oder diskreten Logarithmen in Primkörpern oder elliptischen Kurven beruhen, nach derzeitigem Stand weiterhin sicher seien. (Anja Schuster)

Externer Link: www.uni-passau.de

technologiewerte.de – MOOCblick August 2019

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

IoT Sensors and Devices
Iain Murray AM (Curtin University) et al.
Start: 12.08.2019 / Arbeitsaufwand: 20-30 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Strom aus Stoff

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.08.2019

LKW-Planen als Stromerzeuger? Neuartige textile Solarzellen von Fraunhofer-Forscherinnen und -Forschern aus Dresden machen es möglich: Über sie könnten die Anhänger den benötigten Strom – etwa für Kühlaggregate – autark erzeugen. Kurzum: Textile Solarzellen erweitern die Möglichkeiten enorm, Strom aus der Sonnenstrahlung zu gewinnen. Sie stellen somit eine sinnvolle Ergänzung zu herkömmlichen Siliziumzellen dar.

Solarzellen auf den Dächern sind längst Usus, ebenso wie große Solarparks. Künftig sollen jedoch auch solche Flächen zur Energieerzeugung genutzt werden, die bislang nicht dazu taugten. LKW-Planen etwa könnten die Anhänger autark mit dem Strom versorgen, den der Fahrer während der Fahrt und auf Rastplätzen verbraucht oder der auf Logistikplätzen für die LKW-Ortung benötigt wird. Zudem könnten ganze Gebäudefronten zur Stromerzeugung beitragen, indem sie nicht wie bisher verputzt, sondern mit stromerzeugenden Abspanntextilien verkleidet werden. Bei Glasfassaden könnten Abschattungstextilien wie Rollos Hunderte von Quadratmetern in Stromerzeugungsflächen umwandeln.

Glasfasergewebe als Solarzellenbasis

Möglich machen es textile, biegsame Solarzellen, die Forscherinnen und Forscher vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS entwickelt haben – gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS, dem Sächsischen Textilforschungsinstitut e.V. und den Firmen erfal GmbH & Co. KG, PONGS Technical Textiles GmbH, Paul Rauschert GmbH & Co. KG und GILLES PLANEN GmbH. »Über verschiedene Beschichtungsverfahren können wir Solarzellen direkt auf technischen Textilien herstellen«, erläutert Dr. Lars Rebenklau, Gruppenleiter für Systemintegration und AVT am Fraunhofer IKTS. Sprich: Die Forscher verwenden kein Glas oder Silizium wie bei herkömmlichen Solarmodulen, sondern Textilien als Substrat. »Das jedoch ist alles andere als leicht – schließlich sind die Anlagen in den textilverarbeitenden Unternehmen mit fünf bis sechs Metern Stoffbreite und Stofflängen von tausend Metern riesig groß. Dazu kommt: Die Textilien müssen während der Beschichtung Temperaturen von etwa 200 Grad Celsius überstehen«, ergänzt Dr. Jonas Sundqvist, Gruppenleiter für Dünnschichttechnologien am Fraunhofer IKTS. Auch andere Anforderungen wie Brandschutz-Vorschriften, große Stabilität und ein günstiger Preis sind für die Herstellung von Solarzellen elementar. »Wir haben uns im Konsortium daher für ein Glasfasergewebe entschieden, das all diese Anforderungen erfüllt«, sagt Rebenklau.

Bewusst auf Standardverfahren gesetzt

Eine Herausforderung stellte auch das Aufbringen der verschiedenen Schichten einer Solarzelle auf das Gewebe dar – also die Grundelektrode, die photovoltaisch wirksame Schicht und die Deckelektrode. Denn verglichen mit diesen nur ein bis zehn Mikrometer dünnen Schichten gleicht die Oberfläche eines Textils einem riesigen Gebirge. Die Forscher greifen daher zu einem Trick: Sie bringen zunächst eine Einebnungsschicht auf das Textil auf, die Berge und Täler ausgleicht. Dazu nutzen sie den Transferdruck – ein Standardverfahren der Textilbranche, das auch zum Gummieren verwendet wird. Auch alle weiteren Produktionsprozesse haben die Forschenden von Anfang an so gestaltet, dass sie sich problemlos in die Fertigungslinien der Textilindustrien einfügen lassen: So bringen sie die Elektroden aus elektrisch leitfähigem Polymer ebenso wie die photovoltaisch wirksame Schicht über das gängige Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf. Um die Solarzelle möglichst robust werden zu lassen, laminieren die Forscherinnen und Forscher zusätzlich eine Schutzschicht auf.

Marktreife Solartextilien in etwa fünf Jahren

Den ersten Prototyp hat das Forscherteam bereits hergestellt. »Wir konnten zeigen, dass unsere textile Solarzelle an sich funktioniert«, sagt Rebenklau. »Ihre Effizienz liegt momentan bei 0,1 bis 0,3 Prozent.« In einem Nachfolgeprojekt arbeiten der Ingenieur und seine Kollegen nun daran, die Effizienz auf über fünf Prozent zu steigern – denn ab diesem Wert rechnet sich die textile Solarzelle. Zwar erreichen Siliziumzellen mit zehn bis 20 Prozent deutlich höhere Effizienzwerte. Allerdings soll die neuartige Zelle ja nicht mit den herkömmlichen konkurrieren, sondern sie sinnvoll ergänzen. Auch die Lebensdauer der textilen Solarzelle wollen die Forscherinnen und Forscher in den kommenden Monaten untersuchen und optimieren. Wenn alles funktioniert wie erhofft, könnte die textile Solarzelle in etwa fünf Jahren auf den Markt kommen. Dann wäre das ursprüngliche Ziel des Projekts PhotoTex erreicht: Neue Anregungen für den Textilstandort Deutschland zu finden und die Wettbewerbsfähigkeit dieser Industriebranche zu steigern.

Externer Link: www.fraunhofer.de