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--- teaching:drughunting [2011-08-15 12:03]
+++ teaching:drughunting [2015-09-11 13:42]
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-====== PG 552: Drug Hunting ======
-Navigation und visuelle Analyse im pharmakologischen Strukturraum
-===== Neuigkeiten =====
-  * [[teaching/drughunting/seminarthemen|Einteilung der Seminarthemen]]
-  * E-Mail-Verteiler:
-    * pg552{{:staff:at.gif|}}ls11.cs.uni-dortmund.de - Betreuer und Teilnehmer der PG
-    * pg552b{{:staff:at.gif|}}ls11.cs.uni-dortmund.de - Nur Betreuer
-    * pg552s{{:staff:at.gif|}}ls11.cs.uni-dortmund.de - Nur Teilnehmer
-===== Termine =====
-== Abschlußvortrag ==
-Donnerstag, 13.10.2011, 10:15 Uhr, OH14 Raum 202
-== Seminarphase ==
-  * Dienstag, 12.10, 14:00 Uhr, OH14 Raum 202
-  * Donnerstag, 14.10, 14:00 Uhr, OH14 Raum 202
-  * Dienstag, 19.10, 14:00 Uhr, OH14 Raum 202
-  * Donnerstag, 21.10, 14:00 Uhr, OH14 Raum 202
-== Vorbesprechung ==
-Freitag, 16.07, 10:15 Uhr, OH14 Raum 202
-== Einzelpräsentation ==
-Dienstag, 18.05, 10:15 Uhr, OH14 Raum 202
-===== Teilnehmer =====
-  * Bernhard Dick
-  * Thorsten Flügel
-  * Henning Garus
-  * Michael Hesse
-  * Philipp Kopp
-  * Philipp Lewe
-  * Dominic Sacré
-  * Till Schäfer
-  * Thomas Schmitz
-  * Ömer Uzun
-===== Organisation =====
-== Zeitraum ==
-WiSe 2010/11, SoSe 2011
-== Umfang ==
-SWS im ersten und zweiten Semester, insgesamt 16 SWS
-== Veranstalter ==
-  * [[staff/klein|Karsten Klein]]
-  * [[staff/gutwenger|Carsten Gutwenger]]
-  * [[staff/kriege|Nils Kriege]]
-  * [[staff/mutzel|Prof. Dr. Petra Mutzel]]
-== Kooperationspartner ==
-  * Dr. Stefan Wetzel, stefan.wetzel{{:staff:at.gif|}}novartis.com
-  * Prof. Dr. Herbert Waldmann, Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie, Dortmund
-===== Thema =====
-Entwicklung einer Java-basierten Software zur Navigation und visuellen Analyse im
-pharmakologischen Strukturraum mit Hilfe von Verfahren zur Visualisierung und Klassifikation
-biochemischer Daten.
-|{{ :teaching:drughunting:sh04.png?300 |Scaffold Hunter}}|{{ :teaching:drughunting:molwind.jpg?300 |Molwind}}|
-|  [[http://scaffoldhunter.sourceforge.net|Scaffold Hunter]]  |  [[http://molwind.sourceforge.net|Molwind]]  |
-|  Software zur Visualisierung des chemischen Strukturraums  ||
-==== Motivation ====
-Das Finden neuer Wirkstoffe mit pharmazeutischem Nutzen ist eine Kernaufgabe
-der chemischen Biologie. Innerhalb des //chemischen Strukturraums// (der Gesamtheit
-aller theoretisch möglichen Moleküle) kommt nur ein geringer Teil von kleinen, biologisch
-aktiven Molekülen als Wirkstoff in Frage. Die geschätzte Anzahl möglicher
-Wirkstoffkandidaten in diesem //pharmakologischen Strukturraum// ist mit 10^60
-jedoch noch immer immens, so dass eine Suche nach
-neuen Wirkstoffen gezielt erfolgen muss und sich auf einen möglichst kleinen,
-relevanten Teil beschränken sollte. Entsprechende Datensätze von chemischen
-Strukturen werden in sogenannten Substanzbibliotheken zusammengefasst und können
-experimentell in Hochdurchsatzverfahren auf ihre Eignung als Wirkstoff getestet werden.
-Auch wenn einige Kriterien für eine automatisierte Vorauswahl herangezogen werden können, setzt die Bewertung
-der biologischen Wirksamkeit zur Auswahl von Wirkstoffkandidaten Expertenwissen
-über komplexe biochemische Zusammenhänge voraus. Dazu wird eine möglichst vollständige
-Übersicht der schon bekannten Eigenschaften einer Substanz sowie deren bestehender Ähnlichkeiten zu bereits
-untersuchten Molekülen benötigt.
-Die Integration und geeignete visuelle Aufbereitung der zur Verfügung stehenden Daten im
-Rahmen von Softwaretools kann den Analyseprozess für den Experten wesentlich vereinfachen
-und beschleunigen.
-Konzepte zur sinnvollen Ordnung des Strukturraums und ihre graphische Visualisierung
-sind dabei ein geeignetes Hilfsmittel.
-Waldmann et al. haben ein Konzept zur Klassifikation der Moleküle eines
-Datensatzes und ihre Einordnung in einen hierarchischen Strukturgerüstbaum
-entwickelt. Dabei werden Moleküle mittels Methoden der //Chemoinformatik// chemisch sinnvollen Strukturgerüsten, den sogenannten //Scaffolds//, zugeordnet, die wiederum schrittweise  vereinfacht werden indem sukzessiv Ringe der Struktur entfernt werden. Hieraus ergibt sich
-eine Vielzahl von Elter-Kind-Beziehungen, die sich zu einem Baum zusammenfassen
-lassen.
-Mit der Software [[http://scaffoldhunter.sourceforge.net|Scaffold Hunter]] wurde bereits einmal
-auf Grundlage dieses Konzepts ein Navigationstool in einer Projektgruppe
-(PG504 ChemBioSpacE) erfolgreich umgesetzt. Der Scaffold Hunter erlaubt
-die interaktive Visualisierung eines Strukturgerüstbaum und dadurch die
-intuitive Navigation im chemischen Strukturraum. Hierbei wird die Baumstruktur zuvor
-nach einem festen Regelsatz berechnet und in einer Datenbank gespeichert.
-Einen vergleichbaren Ansatz verfolgt die Software [[http://molwind.sourceforge.net|Molwind]], wobei die Visualisierung auf der Open Source Software [[http://worldwind.arc.nasa.gov|NASA World Wind]] beruht und Methoden aus der Kartographie und der Geoinformatik zur Navigation im Strukturraum eingesetzt
-werden. Die positive Rückmeldung zu solchen Konzepten von Forschungsgruppen und der pharmazeutischen Industrie motiviert zu einer Weiterentwicklung der Ansätze.
-Die Festlegung auf ein einziges Konzept zur Klassifikation des Strukturraums
-schränkt die Nutzbarkeit der Software jedoch ein. Einige Ordnungskonzepte
-erscheinen für bestimmte Fragestellungen optimal, unterstützen andere
-Anwendungsfälle jedoch möglicherweise nur unzureichend. Daraus resultiert der
-Wunsch nach einer flexiblen Ordnung des Strukturraums, die je nach Fragestellung
-gewählt werden kann.
-Der Nutzen derartiger Software kann zudem wesentlich von der Verknüpfung der Moleküle mit
-zusätzlichen Informationen profitieren. Dazu zählen beispielsweise
-die chemischen Eigenschaften eines Moleküls, ihre Fähigkeit an bestimmte Proteine
-zu binden, die diesbezügliche Selektivität, ihre Verfügbarkeit sowie bekannte pharmazeutische Wirkungen.
-Sinnvolle Konzepte für das Knowledge Management, also Methodiken, die den möglichst
-effizienten Umgang mit diesen Daten erlauben, werden sowohl von der Forschung
-als auch der Industrie als extrem wichtig angesehen und bilden einen Pfeiler
-der von der EU und der pharmazeutischen Industrie zusammen angestoßenen [[http://imi.europa.eu|Innovative
-Medicine Initiative]].
-Auch wenn das Wissen über die Beziehung zwischen Eigenschaften der Moleküle und
-ihrer Wirkung teilweise noch lückenhaft ist, und zu einem großen Bereich des
-chemischen Strukturraums noch gar keine Informationen vorliegen, so ist doch
-bereits eine große Anzahl von Molekülen gut untersucht.
-Während derartige Daten lange Zeit schwer zugänglich waren, werden die resultierenden
-Ergebnisse mittlerweile systematisch in Datenbanken gespeichert und mit Projekten
-wie z.B. [[http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov|PubChem]] oder [[http://www.ebi.ac.uk/chebi|ChEBI]] stehen inzwischen zahlreiche freie, öffentliche Datenbanken zur Verfügung.
-Die für typische Fragestellungen benötigten Daten liegen aber unter Umständen verstreut
-vor und sind nicht gut untereinander verknüpft. Zusätzlich müssen üblicherweise sowohl
-lokale Datenbanken (mit noch vertraulichen Daten) und öffentlich zugängliche Datenbanken
-zusammen betrachtet werden. Die Schwierigkeit besteht derzeit also darin, relevante
-Informationen unterschiedlicher Datenbanken zusammenzuführen (//Datenintegration//), auszuwerten, auf angemessene
-Weise zu repräsentieren und dadurch erfassbar zu machen. Hier soll die Projektgruppe
-Lösungen entwickeln und umsetzen, die es zum Beispiel ermöglichen, Eigenschaften von Molekülen
-vorherzusagen, oder vielversprechende aber noch nicht synthetisierte Moleküle in der Substanzbibliothek
-zu finden.
-==== Aufgabenstellung ====
-Die wenigen bereits existierenden Navigationstools bieten keine
-Schnittstelle für die Einbindung von im Internet verfügbaren Wissensressourcen, sondern
-erlauben nur die Repräsentation der Daten aus einer einzelnen Datenbank. In der Projektgruppe
-soll ein Konzept entwickelt und umgesetzt werden, das es erlaubt, unterschiedliche Datenquellen
-in Software zur visuellen Analyse von chemischen Moleküldatenbanken zu integrieren. Dazu soll
-ein flexibles Framework erstellt werden, das es ermöglicht, Informationen aus frei verfügbaren Datenbanken
-automatisch mit chemischen Strukturen zu verknüpfen. Dies beinhaltet zum einen die technische
-Unterstützung der Einbindung durch entsprechende Schnittstellen und zum anderen die geeignete graphische Repräsentation.
-Der großen Vielfalt an möglichen Datenquellen soll dadurch Rechnung getragen werden, dass sich weitere
-Datenbanken mit geringem Aufwand anbinden lassen.
-Zusätzlich bauen bestehende Tools auf einer statischen Umsetzung
-einer spezifischen Molekülklassifikation auf, die jeweils nur einen kleinen Bereich der
-möglichen Fragestellungen abdeckt.
-Um die aus den Datenquellen bezogenen Informationen sinnvoll bei der Suche nach
-Wirkstoffen einsetzen zu können, müssen sie einerseits angemessen visuell repräsentiert
-werden, und andererseits sinnvoll in die
-Navigationsmechanismen integriert werden.
-Während zum Beispiel bisher die Navigation über einen statisch generierten
-Strukturgerüstbaum erfolgt, der rein auf strukturell begründeten Eltern-Kind-Beziehungen
-beruht, kann die Einbindung zusätzlicher Daten zu einer flexiblen und benutzerdefinierte
-Erstellung von Molekülrelationen genutzt werden.
-Für eine erste Erweiterung kann der in Scaffold Hunter integrierte Ansatz verwendet
-werden, wobei Elter-Kind-Beziehungen auf unterschiedliche Weise nach benutzerdefinierten
-Regeln bestimmt werden.
-Darüber hinaus sollen statistische Verfahren wie die Clusteranalyse verwendet
-werden, um dynamisch eine Klassifikation der Strukturen zu berechnen. Die Ergebnisse
-müssen geeignet visualisiert werden und eine interaktive Navigation in den Daten
-soll unterstützt werden. Die Clusteranalyse soll auf Basis verschiedener Eigenschaften der
-chemischen Strukturen durchgeführt werden, die vom Nutzer spezifiziert werden.
-Dazu sollen Informationen unterschiedlicher Datenquellen gewählt werden können.
-Bei der Umsetzung der Konzepte muss daran gedacht werden, dass die Software für
-Anwender aus den Bereichen Chemie und Biologie gedacht ist, und die Interaktion mit
-der Nutzeroberfläche möglichst intuitiv vonstatten gehen soll. Eine zusätzliche
-Herausforderung ist das Volumen der zu verarbeitenden Daten. Hier müssen
-ausreichend effiziente Algorithmen und Methoden gewählt und unter Berücksichtigung
-des Ressourcenverbrauchs entsprechend umgesetzt werden.
-===== Anforderungen =====
-==== Teilnahmevoraussetzungen ====
-  * Programmiererfahrung in Java (V)
-  * Mensch-Maschine-Interaktion **oder** Effiziente Algorithmen **oder** Datenvisualisierung **oder** Automatisches Zeichnen von Graphen (M)
-  * Webtechnologien **oder** Wissensentdeckung in Datenbanken (W)
-**Legende:** (M) Mindestens eine; (V) Voraussetzung; (W) Wünschenswert
-Es werden keine Vorkenntnisse aus der Chemie benötigt.
-==== Minimalziele ====
-  - Entwurf und Implementierung eines Frameworks zur Integration von zusätzlichen Informationen, das mindestens zwei externe sowie eine lokale Datenquellen umfasst und die beispielhafte Integration in Scaffold Hunter.
-  - Verknüpfung der Informationen mit den Strukturen im Programm, angemessene Aufbereitung und Darstellung.
-  - Implementierung weiterer Konzepte der Klassifikation und Navigation im chemischen Strukturraum sowie ihre Visualisierung.
-    * Erweiterung des bestehenden Konzepts statischer Strukturgerüstbäume.
-    * Anwendung statistischer Methoden zur Klassifikation des Strukturraums.
-===== Material =====
-==== Literatur ====
-== Chemoinformatik, Grundlagen ==
-  * //Chemoinformatics - an introduction for computer scientists.//\\ Nathan Brown; ACM Computing Surveys, Volume 41, Issue 2 (February 2009).
-  * //Chemical space and biology.//\\ Christopher M. Dobson; Nature, Volume 432, No. 7019. (15 December 2004), pp. 824-828.
-== Scaffold Tree Konzept ==
-  * //The Scaffold Tree - Visualization of the Scaffold Universe by Hierarchical Scafold Classiﬁcation.//\\ Schuffenhauer, A., P. Ertl, S. Roggo, S. Wetzel, M. A. Koch und H. Waldmann; J. Chem. Inf. Modelling, 47(1):47–58, January 2007.
-  * //Staring off into chemical space.//\\ Irwin, John J.; Nature Chemical Biology, 5(8):536–537, August 2009.
-  * //Bioactivity-guided mapping and navigation of chemical space.//\\ Renner, Steffen, Willem A. L. van Otterlo, Marta Dominguez Seoane, Sabine Mocklinghoff, Bettina Hofmann, Stefan Wetzel, Ansgar Schuffenhauer, Peter Ertl, Tudor I. Oprea, Dieter Steinhilber, Luc Brunsveld, Daniel Rauh und Herbert Waldmann; Nature Chemical Biology, 5(8):585–592, June 2009.
-  * //A Scaffold-Tree-Merging Strategy for Prospective Bioactivity Annotation of gamma-Pyrones.//\\ Wetzel, Stefan, Wolfram Wilk, Samy Chammaa, Bianca Sperl, Anke G. Roth, Aybike Yektaoglu, Steffen Renner, Thorsten Berg, Christoph Arenz, Athanassios Giannis, Tudor I. Oprea, Daniel Rauh, Markus Kaiser und Herbert Waldmann; Angewandte Chemie International Edition, 49(21):3666–3670, 2010.
-  * //Bioactivity-guided navigation of chemical space.//\\ Bon, Robin S. und Herbert Waldmann;  Accounts of Chemical Research, 2010, 43, 1103-1114
-== Visualisierung ==
-  * //Interactive exploration of chemical space with Scaffold Hunter.//\\ Wetzel, Stefan, Karsten Klein, Steffen Renner, Daniel Rauh, Tudor I. Oprea, Petra Mutzel und Herbert Waldmann; Nature Chemical Biology, 5(8):581–583, August 2009.
-  * //Kartographie der Moleküle.//\\ C. Herhaus und O. Karch; Nachrichten aus der Chemie, 57(10):1002–1004, 2009.
-  * //iPHACE: integrative navigation in pharmacological space.//\\ Ricard Garcia-Serna, Oleg Ursu, Tudor I. Oprea und Jordi Mestres; Bioinformatics, 2010 Apr 1;26(7):985-6.
-  * //Data visualization during the early stages of drug discovery.//\\ Dharmesh Maniyar und Ian Nabney; J. Chem. Inf. Model., 2006, 46 (4), pp 1806–1818.
-  * //Merging chemical and biological space: Structural mapping of enzyme binding pocket space.//\\ Nils Weskamp, Eyke Hüllermeier, Gerhard Klebe; Proteins. 2009 Aug 1;76(2):317-30.
-  * //Constructing Overview + Detail Dendrogram-Matrix Views.//\\ Jin Chen, Alan M. MacEachren, Donna J. Peuquet; IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, IEEE Computer Society, 2009, 15, 889-896
-== Datenintegration ==
-  * //Data integration: challenges for drug discovery.//\\ David B. Searls; Nature Reviews Drug Discovery 4, 45-58 (January 2005)
-  * //Integrating biological databases.//\\ Lincoln D. Stein; Nature Reviews Genetics 4, 337-345 (May 2003).
-  * //Integration of Biological Sources: Current Systems and Challenges Ahead.//\\ Thomas Hernandez, Subbarao Kambhampati; SIGMOD Rec., 33(3):51–60, 2004.
-  * //Informationsintegration: Architekturen und Methoden zur Integration verteilter und heterogener Datenquellen.//\\ Ulf Leser, Felix Naumann; dpunkt, 2006.
-  * //Biana: a software framework for compiling biological interactions and analyzing networks.//\\ García-García J, Guney E, Aragues R, Planas-Iglesias J, Oliva B;  BMC Bioinformatics 2010, 11:56doi:10.1186/1471-2105-11-56.
-== Datenbanken ==
-  * //PubChem: a public information system for analyzing bioactivities of small molecules.//\\ Yanli Wang, Jewen Xiao, Tugba O. Suzek, Jian Zhang, Jiyao Wang, and Stephen H. Bryant; Nucl. Acids Res., 37:W623–633, July 2009.
-  * //ChEBI: a database and ontology for chemical entities of biological interest.//\\ Kirill Degtyarenko, Paula de Matos, Marcus Ennis, Janna Hastings, Martin Zbinden, Alan Mcnaught, Rafael Alcántara, Michael Darsow, Mickaël Guedj, Michael Ashburner; Nucleic Acids Research, 36 (Database issue):D344–D350, January 2008.
-==== Links ====
-  * [[http://scaffoldhunter.sourceforge.net|Scaffold Hunter Website]]
-  * [[http://molwind.sourceforge.net|Molwind Website]]
-  * [[http://cgl.imim.es/iphace/|iPHACE]]
-  * [[http://zusammen.metamolecular.com/2009/03/09/sixty-four-free-chemistry-databases-serialized|Übersicht über öffentliche Chemie-Datenbanken]]
-  * [[http://biokemika.uni-frankfurt.de/wiki/Portal:Bioinformatik/Datenbanken|Übersicht über Datenbanken mit biochemischen Inhalten]]
-  * [[http://sbi.imim.es/web/BIANA.php|BIANA]]
-  * {{:teaching:swetzel_pgvortrag_2010.ppt|}}
-  * [[http://www.cgl.ucsf.edu/cytoscape/chemViz/index.html|chemViz: Cheminformatics Plugin for Cytoscape]]
-  * [[http://www.cgl.ucsf.edu/cytoscape/cluster/clusterMaker.html|clusterMaker: Creating and Visualizing Cytoscape Clusters]]

Chair 11

Teaching

Research Groups

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