Intuitive Web-App vereinfacht komplexe Röntgenaufnahmen
Die Bestimmung der Form und Dynamik von Proteinen ist grundlegend für das Verständnis des Lebens auf molekularer Ebene, doch die dafür erforderlichen Verfahren waren bisher komplex und nur speziellem Personal zugänglich. Die biologische Kleinwinkelröntgenstreuung (BioSAXS) ist eine vielseitige Methode, mit der wissenschaftlich untersucht werden kann, wie Biomoleküle ihre Struktur verändern und miteinander interagieren, wobei Röntgenstrahlen auf Proben in verschiedenen Zuständen von Fluiden bis hin zu Gelen gerichtet werden. Die Bedienung der für diese Experimente erforderlichen hochentwickelten Maschinerie erfordert jedoch oft tiefgreifendes technisches Fachwissen. Um diese Hürde zu überwinden, hat das Team des EU-finanzierten Projekts ARISE(öffnet in neuem Fenster), das ein Stipendienprogramm zur Ausbildung zukünftiger Führungskräfte im Bereich Forschungsinfrastruktur beinhaltet, eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der BioSAXS Customized Beamline Environment (BSxCuBE-Web) gespielt. Diese neue quelloffene Weboberfläche ist nun am BM29-Strahlrohr in Betrieb, das gemeinsam vom ARISE-Koordinator, dem Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) in Deutschland, und der Partnerorganisation European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Frankreich betrieben wird. Sie vereinfacht und automatisiert den experimentellen Ablauf und sorgt somit dafür, dass Spitzenforschung in der Strukturbiologie einer breiteren Gemeinschaft zugänglich wird.
Brückenschlag zwischen Hardwarekomplexität und Benutzungsfreundlichkeit
Die Entwicklung von BSxCuBE-Web wurde durch die Notwendigkeit vorangetrieben, die Möglichkeiten des modernisierten Synchrotrons der vierten Generation der ESRF zu nutzen, ohne die Nutzergruppen mit technischer Komplexität zu überfordern. Das System ersetzt veraltete Software durch eine moderne, mehrschichtige Architektur, bei der die Hardwaresteuerung von der Benutzeroberfläche entkoppelt ist. Das bedeutet, dass Wissenschaftsteams unabhängig von ihren Programmierkenntnissen über einen Standard-Webbrowser Experimente entwerfen, Proben für das automatisierte Hochdurchsatz-Screening in die Warteschlange stellen und die Datenerfassung in Echtzeit überwachen können. Die Benutzeroberfläche spiegelt visuell den physischen Aufbau der robotergesteuerten Probenwechsler wider, sodass bei der Anwendung Probenchargen intuitiv eingerichtet werden können. Entscheidend ist, dass das System über robuste Fehlerbehandlungsmechanismen verfügt. Fällt ein Strahl aus oder ist eine Probe fehlerhaft, pausiert die Warteschlange automatisch oder überspringt das Problem, wodurch sichergestellt wird, dass unbeaufsichtigte Experimente über lange Zeiträume sicher ablaufen können. Jean Baptiste Florial, der das Projekt leitende Full-Stack-Softwareentwickler, betont in einer EMBL-Nachrichtenmeldung(öffnet in neuem Fenster) die Schwierigkeit der Aufgabe: „Die größte Herausforderung bestand darin, die komplexe Strahlrohrhardware mit einer einfachen und zuverlässigen Weboberfläche zu verknüpfen. Dazu muss sichergestellt werden, dass alles in Echtzeit synchronisiert bleibt und das System gleichzeitig stabil läuft. Außerdem mussten wir uns mit Leistung und Maßstabserweiterung auseinandersetzen, insbesondere da wir große Datenströme direkt im Browser verarbeiten.“
Die nächste Generation der Forschungsführungskräfte fördern
Das ARISE-Stipendienprogramm spielte eine entscheidende Rolle bei der Erprobung und Verfeinerung der Software und bot den Stipendiatinnen und Stipendiaten eine praxisnahe Testumgebung, in der sie ihre interdisziplinären Kompetenzen anwenden konnten. Anton Popov und Dihia Moussaoui, beide mit ARISE-Stipendium am EMBL in Grenoble ausgestattet, arbeiteten eng mit dem technischen Team zusammen. Popovs Arbeit an mikrofluidischen Vorrichtungen und Werkzeugen ermöglicht es, dass verschiedene Arten von Mischversuchen und zeitaufgelösten Untersuchungen durchgeführt werden können. Moussaouis Entwicklung des Röntgen-Footprinting in Verbindung mit Massenspektrometrie besitzt das Potenzial, BioSAXS und weitere Methoden in der Strukturbiologie zu ergänzen. Zu der Frage, wie die Zusammenarbeit zwischen den Stipendiatinnen und Stipendiaten von ARISE (Career Accelerator for Research Infrastructure Scientists) und den ingenieurtechnischen Fachkräften die Projektarbeit geprägt hat, erklärt Florial: „Es ist immer gut, mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zusammenzuarbeiten, um wirklich zu verstehen, was gebraucht wird. Wir verfolgten den Plan, ein allgemeines Anwendungsframework zu entwickeln, das für Wissenschaftsteams und andere Synchrotrone nützlich ist, an denen BioSAXS-Experimente durchgeführt werden. Das Feedback besagt, dass BSxCuBE-Web nutzungsfreundlich ist und so denke ich, dass wir unser Ziel erreicht haben!“ Weitere Informationen: ARISE-Projektwebseite(öffnet in neuem Fenster)
