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Moleküle unterwegs visualisieren und modellieren

Von Johannes M. Dieterich und Ricardo A. Mata

Die rasche Entwicklung von mobilen Geräten wie Smartphones und Tablet-PCs ändert unseren Alltag. Wie nutzen Chemiker die neue tragbare Rechenleistung?

Moleküle unterwegs visualisieren und modellierenQuelle: Nachrichten aus der ChemieChemiker nutzen mobile Geräte: Moleküle bauen auf einem Tablet-PC
Anhand eines fünf Jahre alten Films ist der Lauf der Zeit nicht einfach zu erkennen. Denn die Straßen, die Autos, sogar die Mode von vor fünf Jahren passen in unsere heutige Zeit. Aber wenn der Hauptdarsteller einen Anruf bekommt und sein Handy zieht, können manche daraus das Drehjahr ableiten. Heute sind Smartphones alltäglich. Viele Menschen tragen eine Rechenleistung in der Tasche, die der eines Laptops aus dem letzten Jahrzehnt in nichts nachsteht. Mit dieser Leistung lassen sich mobile Geräte anders nutzen als bisher. E-Mails unterwegs zu lesen und das nächste Restaurant zu finden, sind nur den Anfang. Mobile Kommunikationsgeräte dienen jetzt als Produktivitätswerkzeuge.

Tablet-PCs gehören ebenso dazu, und es ist zu erwarten, dass sie mit Laptops verschmelzen. Schon für Ende dieses Jahres sind die ersten Tablets und Smartphones mit Quadcoreprozessoren angekündigt (Mikroprozessoren mit vier Rechenkernen). Damit verringert sich der Unterschied in der Rechenleistung zwischen mobilen und klassischen Computern weiter. Chemiker sind heutzutage auf Visualisierungs- und Modellierungsprogramme angewiesen. Die althergebrachten Molekülbaukästen verstauben meistens im Schrank und sind durch virtuelle Lösungen ersetzt. Es drängt sich auf, dass Chemiker Tablets und Smartphones künftig als Modellingplattform nutzen.

Apps für die Chemie

Die Software in leicht tragbaren Geräten, den Handheld Devices, sind die Apps, von applications, zu deutsch: Anwendungen. Es ist fast unmöglich, die genaue Zahl an Apps zu nennen, da sie ständig steigt, aber geschätzt gibt es bisher etwa 500 000. Ein kleiner Teil davon ist für Chemiker: In den Distributionskanälen, den Marktplätzen, gibt es Periodensysteme, Molmassenrechner und Strichformeleditoren. Selten findet man Programme für die Forschung. Für Apples iOS-Plattform gibt es allerdings einen Molekülbetracher, die Molecules-App.1) Sie bietet über die üblichen Betrachtungsoptionen hinaus die Möglichkeit, Dateien in der Proteindatenbank (PDB) zu suchen.2) Grafik und Schnelligkeit sind hierbei ähnlich wie bei Software für Workstations. Für die konkurrierende Plattform Android gibt es seit diesem Jahr die Atomdroid-App.3) Damit baut und betrachtet der Chemiker Moleküle nicht nur, sondern berechnet auch direkt auf dem Gerät die Molekülmechanik. Die aktuelle Fassung des Programms simuliert die Systeme durch ein universelles Kraftfeld (universal force field, UFF).4) Dies erleichtert die Bedienung, denn der Nutzer muss keine Topologie eingeben. Simulationsprotokolle wie Monte Carlo sind vorhanden und Rechnungen mit über 200 Atomen möglich. Mehr als 1500 Nutzer verwenden die App bereits, und etwa 90 Prozent der Downloads erfolgten auf ein Smartphone. Dies zeigt, welchen Stellenwert mobiles Computing bereits hat. Beide Programme bringen die neuen Bedienmöglichkeiten zur Geltung, die Touchscreens bieten: Der Nutzer kann die Struktur eines Moleküls mit einfachen Fingerbewegungen und in einer viel intuitiveren Art als mit Maus und Tastatur manipulieren. Es gibt Ansätze, solche Interfaces auch in Lehre und Ausbildung einzusetzen.

Webbasierte Anwendungen

Programme werden künftig nicht nur lokal verwendet, sondern auch als Webapplikation zugänglich sein. Unbestrittener Vorreiter dieses Trends ist das Open-Source- Programm zur räumlichen Darstellung von Molekülen Jmol, das sich auf Webseiten einbinden lässt.5) Als Java-Applikation läuft es in allen Desktopbrowsern mit installiertem Java-Plugin. Auf den gängigen mobilen Betriebssystemen ist der auf Java beruhende Ansatz derzeit nicht lauffähig, und es sind auch keine Lösungen dazu zu erwarten. Denn die geringe Zahl an möglichen Applikationen erzeugt zu wenig Innovationsdruck auf Hersteller und Betriebssystementwickler.

Eine Alternative wäre die Entwicklung HTML5-basierter Programme: Softwareentwickler veröffentlichen ihre Produkte unabhängig von den Marktplätzen und Betriebssystemen als Webseite, und Nutzer verwenden Funktionen, die früher flash- oder javabasierten Anwendungen vorbehalten waren. Das Ergebnis empfindet der Nutzer in vielen Belangen wie eine native App, also eine speziell für das mobile Endgerät entwickelte App. Für internetbasierte Apps muss aber sicher sein, dass der Viewer für echte Mobilität auch im Offlinemodus funktioniert. Außerdem muss die Frage beantwortet werden, wo eventuelle Simulationen berechnet werden sollen. Hier könnten Lösungen des verteilten Rechnens eine Rolle spielen, die Programme und Speicherkapazitäten nach Bedarf über ein Netzwerk zur Verfügung stellen (cloud- oder gridbasierte Anwendungen). Denn mit lokalen Rechnungen ergäbe sich für internetbasierte Apps kein Vorteil gegenüber nativen Apps. Möglich sind aber hybride Ansätze, die kleine, lokale Rechnungen mit Rechnungen auf eigenen Clustersystemen verbinden.

Literatur und Information

1) www.sunsetlakesoftware.com/molecules
2) H. M. Berman, J. Westbrook, Z. Fen et al., Nucleic Acids Res. 2000, 28, 235-242.
3) www.uni-goettingen.de/en/217659. html
4) A. K. Casewit, K. S. Colwell, W. A. Goddard, W. M. Skiff, J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10024.
5) www.jmol.org/


Über die Autoren
Johannes M. Dieterich, Jahrgang 1985, ist seit September letzten Jahres als Postdoktorand am Institut für Physikalische Chemie der Georg-August-Universität Göttingen. Er befasst sich dort unter anderem mit der Weiterentwicklung von genetischen Algorithmen zur globalen Optimierung chemischer Probleme. Er studierte Chemie an der Universität Stuttgart und promovierte 2010 an der Christian-Albrechts-Universität Kiel unter Leitung von Bernd Hartke.

Ricardo A. Mata, Jahrgang 1981, ist seit dem Jahr 2009 Juniorprofessor für Computerchemie und Biochemie an der Georg-August-Universität Göttingen. Er promovierte in Stuttgart bei Hans-Joachim Werner im Jahr 2007. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Entwicklung und Anwendung von Wellenfunktionsmethoden, insbesondere für die Aufklärung von Lösungsmitteleffekten, schwach gebundenen Komplexen und enzymatischer Katalyse.
rmata@gwdg.de


Aus Nachrichten aus der Chemie» :: November 2011

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