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)

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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)

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Feuer löschen ohne Feuer

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 03.07.2019

Ein an der Uni Kassel erfundenes virtuelles Feuerlösch-System hilft bei der Ausbildung von Brandschutzhelfern und Feuerwehrleuten. Dabei kommuniziert ein realer Feuerlöscher mit einer virtuellen Trainingsumgebung, die Brände simuliert. Der virtuelle Feuerlöscher ist ein Beispiel dafür, wie Erfindungen der nordhessischen Hochschule mithilfe ihrer Patentvermarktungsagentur den Weg in den Markt finden.

Der virtuelle Feuerlöscher ist eine Entwicklung eines Doktoranden, Frederik Kreckler vom Fachgebiet Technische Informatik. Das Feuer findet allein auf einem Bildschirm oder einer Leinwand statt. Im Innern des Feuerlöschers sind Sensoren eingebaut, die die Bewegungen des Übenden kabellos auf dem Bildschirm spiegeln.

Per Knopfdruck stehen die Löschmittel Wasser, Pulver, Schaum oder Fettbrandlöschmittel und Orte (Küche, Flur oder Büro) zur Wahl. Je nach Ort steht der Übende vor verschiedenen Bränden und kann auch die Auswirkung der verschiedenen Löschmittel ausprobieren. „Beim simulierten Löschen kann man falsch machen, was man im realen Leben lieber nicht falsch macht“, nennt Kreckler einen wichtigen Vorteil des virtuellen Löschens. Mit seinem Feuerlöscher können sogar Kinder das Löschen von Bränden trainieren.

Die Auswertung gibt Rückmeldung, wie schnell der Brand gelöscht und wie viel Löschmittel verbraucht wurde. Per Knopfdruck wird das Löschmittel nachgefüllt. In echten Feuerlöschern ist das Löschmittel teils nach 10 bis 15 Sekunden aufgebraucht – eine wichtige Erfahrung für viele Übenden. „Das Fachgebiet Technische Informatik arbeitet viel mit Feuerwehren zusammen. Da ich Interesse an der Erfindung von Geräten und dem 3D-Druck habe, habe ich mich während der Promotion mit dem Thema befasst. Aus der Mischung beider Sachen kam dann der virtuelle Feuerlöscher heraus“, erklärt Kreckler seine Motivation, sich mit dem Thema Brandschutz zu beschäftigen. Beim Campusfest der Universität Kassel in der vergangenen Woche konnten Neugierige den virtuellen Löscher bereits ausprobieren.

Besonderer Fokus auf Vermarktung von Innovationen aus der Universität

Die Kommerzialisierung der Erfindung wird das Brandschutzunternehmen GLORIA GmbH übernehmen, und hat dazu als ersten Schritt eine Lizenz auf das zugrunde liegende Patent von der Universität Kassel erworben. Den Firmenkontakt stellte die Gesellschaft für Innovation Nordhessen (GINo) mbH her, die von der Universität Kassel beauftragte Patentvermarktungsagentur. Sie verhilft jedes Jahr zahlreichen Erfindungen aus der Nordhessischen Hochschule, die die Entwicklung von Ideen und die Ausgründung von Unternehmen und anderen Start-ups in besonderem Maße unterstützt, zu ihren ersten Schritten auf dem Weg in den Markt. Seit kurzem unterstützt Johann Hirsch die GINo mbH als zweiter Geschäftsführer, der insbesondere für den Bereich „Patentinformationszentrum“ zuständig ist und weitere Geschäftsfelder entwickeln wird. Die GINo mbH hat ihren Sitz im Science Park Kassel, dem gemeinsamen Gründerzentrum von Universität und Stadt.

Seit 2016 koordiniert die Universität Kassel den Verbund hessischer Hochschulen und Forschungseinrichtungen zur Patentverwertung. Das Land Hessen fördert diese Koordination und die Weiterentwicklung von Hochschulerfindungen derzeit mit rund einer Mio. Euro. Nicht zuletzt durch diese Förderung kamen seitdem 18 von bundesweit 67 Weiterentwicklungsprojekten aus dem WIPANO-Programm des Bundeswirtschaftsministeriums aus Hessen, davon die Hälfte aus Kassel.

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Bessere Wärmeleitfähigkeit durch geänderte Atomanordnung

Medienmitteilung der Universität Basel vom 19.07.2019

Die Anpassung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien ist eine aktuelle Herausforderung in den Nanowissenschaften. Forschende der Universität Basel haben mit Kolleginnen und Kollegen aus den Niederlanden und Spanien gezeigt, dass sich allein durch die Anordnung von Atomen in Nanodrähten atomare Vibrationen steuern lassen, welche die Wärmeleitfähigkeit bestimmen. Die Wissenschaftler veröffentlichten die Ergebnisse kürzlich im Fachblatt «Nano Letters».

In der Elektronik- und Computerindustrie werden die Komponenten immer kleiner und leistungsfähiger. Problematisch ist dabei die Wärmeentwicklung, die durch mechanische Wellen zustande kommt. Daher ist es wichtig, diese Wellen – sogenannte Phononen – genau zu untersuchen und ihr Verhalten im Material zu verstehen. Die Forschung geht heute sogar noch einen Schritt weiter und entwirft ganz gezielt Materialien, mit denen sich die Ausbreitung der Phononen steuern lässt. Zum einen, um Materialien herzustellen, die Wärme sehr schnell abgeben und sich daher nur wenig aufheizen. Zum anderen, um Wärmeunterschiede möglichst lange aufrecht zu halten und zur Stromerzeugung zu nutzen.

Verbesserte Ausbreitung durch Drehung

Die Gruppe von Prof. Dr. Ilaria Zardo vom Departement Physik und dem Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel untersucht Materialien, die massgeschneiderte Eigenschaften in der Aussendung und Verbreitung von Phononen haben. Im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit unter der Leitung von Zardo konnten die Nanowissenschaftler nun erstmals zeigen, dass allein die Anordnung der Atome einen Einfluss auf die Phononen und somit auf die Wärmeleitfähigkeit hat.

Die Forschenden haben dazu Galliumphosphid-Nanodrähte hergestellt, bei denen aufeinanderfolgende Kristalllagen gegeneinander periodisch um 60 Grad verdreht sind. Es bildet sich durch diese Anordnung eine Überstruktur, in der sich Phononen kohärent ausbreiten – die Wärme also sehr effektiv leiten.

Grenzflächen ohne Fehler

Bisher wurden derartige Überstrukturen aus periodisch angeordneten Lagen unterschiedlicher Materialien hergestellt. Die Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien sind jedoch oft nicht klar definiert, und es treten Fehler auf, welche die Ausbreitung der Phononen und damit die Wärmeleitfähigkeit massiv reduzieren.

Bei den vorliegenden Untersuchungen wiesen die Forschenden nach, dass derartige Störeffekte nicht auftreten, wenn das Material der Lagen identisch ist, sich jedoch durch die Anordnung der Atome unterscheidet. Und obwohl die Lagen aus demselben Material bestehen, verändern sich allein durch Drehung der Lagen gegeneinander die phononischen Eigenschaften. Bislang stand es noch zur Debatte, ob sich diese neuartigen Systeme wie herkömmliche Übergitter verhalten.

Die Studie ist in Zusammenarbeit des Departements Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts (SNI) mit der Technischen Universität Eindhoven, der Universitat Autònoma de Barcelona und dem Institut de Ciència de Materials de Barcelona entstanden.

Originalbeitrag:
Marta De Luca, Claudia Fasolato, Marcel A. Verheijen, Yizhen Ren, Milo Y. Swinkels, Sebastian Kölling, Erik, P. A. M. Bakkers, Riccardo Rurali, Xavier Cartoixà, Ilaria Zardo
Phonon Engineering in Twinning Superlattice Nanowires
Nano Letters (2019), doi: 10.1021/acs.nanolett.9b01775

Externer Link: www.unibas.ch

Knobeln auf dem Quanten-Schachbrett

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 10.07.2019

Physiker der Universität Innsbruck schlagen ein neues Modell vor, mit dem die Überlegenheit von Quantencomputern gegenüber klassischen Supercomputern bei der Lösung von Optimierungsaufgaben gezeigt werden könnte. Sie demonstrieren in einer aktuellen Arbeit, dass schon wenige Quantenteilchen genügen würden, um das mathematisch schwierige Damenproblem im Schach auch für größere Schachbretter zu lösen.

Das Damenproblem ist eine schachmathematische Aufgabe, die schon den großen Mathematiker Carl Friedrich Gauß beschäftigt hat, für die er aber erstaunlicher Weise nicht die richtige Lösung fand. Es geht dabei um die Frage, wie acht Damen so auf einem klassischen Schachbrett mit 8 x 8 Feldern angeordnet werden können, dass sich keine davon gegenseitig schlagen können. Mathematisch kann noch relativ einfach ermittelt werden, dass es 92 verschiedene Möglichkeiten gibt, die Damen aufzustellen. Auf einem Schachbrett mit 25 x 25 Feldern sind es schon über 2 Billiarden Möglichkeiten. Allein die Berechnung dieser Zahl verschlang insgesamt 53 Jahre an CPU-Zeit.

Noch schwieriger wird die Aufgabe, wenn einige Damen bereits auf dem Feld stehen und bestimmte Diagonalen nicht besetzt werden dürfen. Vor kurzem wurde gezeigt, dass mit diesen zusätzlichen Einschränkungen das Problem mit 21 Damen durch klassische mathematische Algorithmen nicht mehr in angemessener Zeit gelöst werden kann. „Ich bin zufällig auf dieses Thema gestoßen und dachte mir, hier könnte die Quantenphysik ihre Vorteile ausspielen“, erzählt Wolfgang Lechner vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Gemeinsam mit Helmut Ritsch und den Doktoranten Valentin Torggler und Philipp Aumann entwickelte Lechner ein Quanten-Schachbrett, auf dem das Damenproblem mit Hilfe der Quantenphysik experimentell gelöst werden könnte.

Aus Atomen werden Schachdamen

„Als Schachbrett kann ein optisches Gitter aus Laserstrahlen genutzt werden, in das einzelne Atome geladen werden“, erklärt Helmut Ritsch, der ebenfalls am Innsbrucker Institut für Theoretische Physik forscht. „Über die Einstellung der Wechselwirkung zwischen den Teilchen, können wir aus den Atomen Schachdamen machen, die sich nach den Schachregeln verhalten, sich also in allen Bewegungsrichtungen des Spiels aus dem Weg gehen.“ Diese Abstoßung der Teilchen wird mit Hilfe von Lasern erzeugt, die in den Bewegungsrichtungen eingestrahlt werden. Über einen optischen Resonator – zwei Spiegel oberhalb und unterhalb des optischen Gitters – wird diese Wechselwirkung noch einmal deutlich verstärkt und ist damit über deutlich größere Distanzen wirksam.

„Man könnte dieses Spiel auch mit sich entsprechend abstoßenden Billardkugeln spielen“, sagt Ritsch. „Weil es aber so viele Möglichkeiten gibt, würde das sehr, sehr lange dauern. Es ist deshalb entscheidend, dass die Atome sehr stark abgekühlt werden und deren Quanteneigenschaften zum Tragen kommen. Weil sie dann wie Wellen funktionieren, können die Teilchen viele Möglichkeiten gleichzeitig austesten und es zeigt sich sehr rasch, ob es eine nach Schachregeln gültige Lösung für die vorgegebenen Bedingungen gibt.

Quantenüberlegenheit nachweisen

Die Antwort auf die Frage, ob es unter den jeweils vorgegebenen Einschränkungen eine Lösung gibt, kann aus dem von den Atomen abgestrahlten Licht sehr leicht abgelesen werden. Die konkrete Anordnung der Atom-Damen könnte im Prinzip mittels Atommikroskopie ermittelt werden, ein Verfahren, das an vergleichbaren Aufbauten bereits erfolgreich demonstriert wurde.

Simulationen auf klassischen Computern deuten stark darauf hin, dass das von den Innsbrucker Theoretikern entworfene Experiment aufgrund der Quanteneigenschaften der Teilchen sehr viel rascher zu einem Ergebnis führen würde, als jeder mathematische Algorithmus auf einem klassischen Computer das schaffen könnte. „Damit ließe sich die Überlegenheit von Quantencomputern für die Berechnung von bestimmten Optimierungsproblemen mit diesem Experiment erstmals eindeutig nachweisen“, resümiert Wolfgang Lechner. „Die Kontrolle weniger Dutzend Atome gehört heute im Labor schon zum Standard, weshalb die Umsetzung dieser Idee vielleicht schon bald Realität werden könnte.“

Die Arbeit ist im Fachmagazin Quantum erschienen und wurde vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Hauser-Raspe-Stiftung und der Europäischen Union finanziell unterstützt.

Publikation:
A Quantum N-Queens Solver. Valentin Torggler, Philipp Aumann, Helmut Ritsch, and Wolfgang Lechner. Quantum 3, 149 (2019)

Externer Link: www.uibk.ac.at