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Untersuchung der Struktur und Wechselwirkungen von Kohlenhydraten mittels Molekulardynamik-Simulationen
No full textCarbohydrates are ubiquitous in nature and play important roles in health and disease. In this thesis, we used molecular dynamics (MD) and replica-exchange molecular dynamics (REMD) simulations to investigate the interactions and conformations of carbohydrates. First, we studied the interaction between amylose and the enzyme amylomaltase. Amylomaltase can cleave amylose molecules and also join them together. The latter results in the formation of cyclic amylose molecules with a minimum ring size of 20 glucose units. The active center of amylomaltase is located inside an extended binding crevice that contains 15 glucose binding sites. To quantify the binding strength of these sites, we investigated the binding of a trimeric amylose molecule to amylomaltase with REMD simulations, and determined the relative binding strength of the di erent binding positions inside the binding crevice. The strongest binding happens at a binding site which is 20Å away from the active center. We found CH-interactions to induce strong binding at this binding site and speculate that the strong binding is responsible for the minimal observed ring size for cyclic amylose produced by amylomaltase. Lastly, we restrained an amylose chain at the site of strongest binding and observed the transition of the bound amylose chain into the full binding crevice, which is in accordance with a mechanism of initial binding and subsequent population of the binding crevice.
Second, we investigated the energetic differences between the naturally occurring cellulose Iβ crystals and cellulose II crystals which are more stable than cellulose Iβ but do not occur in nature. While the cellulose chains in cellulose Iβ are aligned in parallel, cellulose II is characterized by an antiparallel alignment of cellulose chains, leading to greatly different hydrogen bonding patterns. We studied both types of cellulose crystals in MD simulations and energy minimizations with two current allatom carbohydrate forcefields that treat van-der-Waals interactions between atom pairs slightly differently. We found the total sum of intrachain and interchain energies from minimizations to be about 3 kcal/mol lower per glucose unit for cellulose II compared to cellulose Iβ in both forcefields. This difference results from stronger electrostatic interchain energies in cellulose II that are only partially compensated by stronger interchain van-der-Waals interactions in cellulose Iβ. Additionally, we calculated hydrogen bond energies for both crystal types. These hydrogen bond energies as well as the inter- and intrachain energies were found to be comparable to literature values.
Finally, we explored conformational properties of linear β-(1,3) glucans linked with different polymeric molecules. Linear β-(1,3) glucans show only poor interaction with immune cells in comparison to the triple-helical curdlan. In order to still evoke an immune response with linear β-(1,3) glucans, we attempted to force them into helical conformations similar to the structure of curdlan. Therefore, we connected one or both ends of short linear β-(1,3) glucans to different linkers to stabilize the glucan into the proper helical conformation. We used 5-mer and 7-mer glucans with aliphatic polyethylene (PE) linkers and polyethylene glucol (PEG) linkers of different sizes connected to one end of the glucan (open form) or both ends (closed form). For both types of glucans and across all different linkers, the open form lead to little interaction between linker and glucan and only induced few changes to the glucan conformations. In contrast, the closed form yielded significant conformational differences in comparison to the unlinked molecule for all types of linkers. For bothglucan lengths, we found that the shortest PE linker best reproduced the helix properties. With regard to the PEG linkers, the 5-mer glucan yielded better results with the shortest of the simulated PEG linkers while the 7-mer glucan performed better with the longer PEG linkers.Kohlenhydrate sind allgegenwärtig in der Natur und erfüllen wichtige Funktionen in Gesundheit und Krankheit. In dieser Arbeit haben wir Molekulardynamik (MD) und Replika-Austausch Molekulardynamik (REMD) Simulationen benutzt, um die Struktur und Wechselwirkungen von Kohlenhydraten zu untersuchen.
Als erstes haben wir die Interaktion zwischen dem Kohlenhydrat Amylose und dem Enzym Amylomaltase untersucht. Amylomaltase kann Amylosemoleküle aufspalten und zusammenfügen. Letzteres führt zu der Bildung von zyklischer Amylose mit einer minimalen Ringgröße von 20 Glukosemolekülen. Das aktive Zentrum von Amylomaltase befindet sich in einer ausgedehnten Bindungstasche, welche 15 Glukose-Bindungspositionen beinhaltet. Um die Bindungsstärke dieser Positionen zu quantifizieren, haben wir die Bindung eines trimeren Amylosemoleküls an Amylomaltase mit REMD Simulationen untersucht und die relative Bindungsstärke der verschiedenen Bindungspositionen in der Bindungstasche bestimmt. Die stärkste Bindung findet an einer Bindungsposition statt, die 20 Å vom aktiven Zentrum entfernt ist. Wir haben herausgefunden, dass CH-π-Interaktionen die starke Bindung an dieser Bindungsposition verursachen und vermuten, dass diese starke Bindung verantwortlich ist für die minimale beobachtete Ringgröße von zyklischer Amylose produziert durch Amylomaltase. Als letztes haben wir eine Amylosekette an der stärksten Bindungsposition fixiert und den Übergang der gebundenen Kette in die komplette Bindungstasche beobachtet, was mit dem Mechanismus der anfänglichen Bindung und nachfolgender Besetzung der Bindungstasche übereinstimmt.
Als zweites haben wir die energetischen Unterschiede zwischen Cellulose Iβ Kristallen, die in der Natur vorkommen, und Cellulose II Kristallen, die stabiler als Cellulose Iβ sind, aber nicht in der Natur vorkommen, untersucht. Während die Celluloseketten in Cellulose Iβ parallel angeordnet sind, ist Cellulose II von einer antiparallelen Anordnung der Ketten gekennzeichnet, was zu großen Unterschieden in den Mustern der Wasserstoffbrücken führt. Wir haben beide Arten von Cellulose mittels MD Simulationen und Energieminimierungen in zwei aktuellen Kohlenhydrat-Kraftfeldern untersucht, die van-der-Waals Interaktionen zwischen Atompaaren leicht unterschiedlich behandeln. Die Summe aus Energien innerhalb der Ketten und Energien zwischen Ketten, die wir aus Minimierungen erhalten haben, beträgt etwa 3 kcal/mol weniger pro Glukoseeinheit für Cellulose II verglichen zu Cellulose Iβ in beiden Kraftfeldern. Dieser Unterschied entsteht aus stärkeren elektrostatischen Wechselwirkungsenergien zwischen Ketten in Cellulose II, welche nur teilweise von stärkeren van-der-Waals Wechselwirkungen zwischen Ketten in Cellulose Iβ ausgeglichen werden. Weiterhin haben wir Wasserstoffbrückenenergien für beide Kristalltypen berechnet. Diese Wasserstoffbrückenenergien sowie Energien zwischen und innerhalb von Ketten, die wir berechnet haben, waren vergleichbar zu Literaturwerten.
Als letztes haben wir die Konformationen von linearen β-(1,3)-Glukanen erforscht, die mit verschiedenen polymerischen Molekülen verknüpft waren. Lineare β-(1,3)-Glukane weisen nur schwache Wechselwirkung mit Immunzellen im Vergleich zu der Dreifachhelix von Curdlan auf. Um trotzdem eine Immunreaktion mit linearen β-(1,3)-Glukanen herbeizurufen, haben wir versucht, diese in helikale Strukturen ähnlich der von Curdlan zu zwingen. Aus diesem Grund haben wir eines der Enden oder beide Enden von kurzen, linearen β-(1,3)-Glukanen mit verschiedenen Linkern verbunden, um das Glukan in der gewünschten helikalen Struktur zu stabilisieren. Wir haben Glukanpentamere und -heptamere mit aliphatischen Polyethylen (PE) Linkern sowie Polyethylenglukol (PEG) Linkern verschiedener Längen benutzt, welche an einem Ende (offene Form) oder beiden Enden (geschlossene Form) verbunden waren. Für beide Linkertypen und alle Größen von Linkern hat die offene Form wenige Wechselwirkungen zwischen Linker und Glukan herbeigerufen und nur geringe Änderungen der Glukankonformationen verursacht. Die geschlossene Form hat signifikante Unterschiede der Konformationen im Vergleich zum ungelinkten Glucan für alle Linker gezeigt. Für beide Glukanlängen hat der kürzeste PE Linker die helikalen Eigenschaften am besten reproduziert. In Bezug auf die PEG Linker hat der Glukanpentamer bessere Ergebnisse mit dem kurzen PEG Linker gezeigt, während der Glukanheptamer besser mit längeren PEG Linkern angeschnitten hat
Untersuchung der Rolle des TusA-Proteins bei der Regulierung der Eisenhomöostase und der Schwefelmobilisierung in Escherichia coli
No full textIn this work, the role of TusA in the regulation of iron homeostasis and sulfur mobilisation was investigated in Escherichia coli. TusA is the tRNA 2-thiouridine synthesizing protein A and, by interacting with the housekeeping L-cysteine desulfurase IscS, catalyses the biosynthesis of the thio-modified nucleotide mnm5s2U34, present in tRNALys, tRNAGlu and tRNAGln. This modification is important to guarantee a correct translation efficiency for different proteins. TusA also promotes the second step of molybdenum cofactor (Moco) biosynthesis. The deletion of tusA gene has a pleiotropic effect on the E. coli cell, which shows a phenotype characterised by reduced Moco biosynthesis, growth and cell division impairment, lower Fe-S cluster level and iron accumulation.
Iron is important for many biological processes, including TCA cycle, DNA biosynthesis, nitrogen fixation, electron transport and respiration. Due to both its essentiality and high reactivity, the intracellular iron concentration must be strictly controlled by the cell. In E. coli, the ferric uptake regulator (Fur) is mainly responsible to fine tune iron homeostasis. This study shows that the deletion of tusA gene reduced and retarded the translation of Fur protein, due to the lack of specific tRNA thiolation. This leads to iron accumulation in the cell and, together with a complex mis-regulation of transcription factors, small RNAs and modulators (as FNR, cAMP-CRP, ErpA, RyhB, FnrS, IscR, CyaY), causes the reduction of Fe-S clusters assembled by the ISC and SUF systems.
ISC and SUF systems are the two main Fe-S cluster assembly machineries in E. coli and both systems mobilise the sulfur through L-cysteine desulfurases, IscS and SufS respectively. While SUF system is limited to the production of Fe-S cluster and mainly active under oxidative stress and iron-limiting conditions, ISC system is responsible to mobilise sulfur in different essential biological pathways under normal or iron-rich conditions. The L-cysteine desulfurase IscS has a central role as sulfur donor for the biosynthesis of numerous sulfur-containing biomolecules through interactions with multiple partner proteins, which bind at different sites. In addition to TusA, IscS interacts with IscU, CyaY, Fdx, IscX, involved in iron sulfur (Fe-S) cluster assembly, and with ThiI, required for the biosynthesis of thiamine and s4U8 tRNA modification. Previous studies suggested that IscS can bind only one sulfur acceptor at a time. The preference of IscS for a specific interaction partner, and consequentially the direction taken by the sulfur, is not fully understood. This study shows that TusA has a similar, but lower affinity to IscS than IscU and, under certain conditions, it’s able to partially displace IscU from its binding with IscS. The results indicate the formation of a heterocomplex involving IscS dimer bound to single TusA and IscU molecules. In this complex, TusA affects the L-cysteine desulfurase activity of IscS and re-direct the sulfur flux towards Moco biosynthesis and tRNA thiolation rather than Fe-S cluster assembly.
Furthermore, TusA can completely displace CyaY from its complex with IscS. CyaY is the frataxin homolog of E. coli and its negative modulating effect on the formation of Fe-S cluster by ISC system has been extensively studied. In this work, the possibility that the displaced CyaY could interact with the second L-cysteine desulfurase SufS was investigated. The results indicate that CyaY is able to interact with SufS, alone and in complex with SufE, and drastically reduces its activity in vitro. The overexpression of CyaY in vivo has the effect of reducing the L-cysteine desulfurase activity of both IscS and SufS, under different growth conditions.
Overall, this work reveals a new role of TusA in the regulation of iron homeostasis and, together with CyaY, in the modulation of L-cysteine desulfurases IscS and SufS.In dieser Arbeit wurde die Rolle von TusA bei der Regulierung der Eisenhomöostase und der Schwefelmobilisierung in Escherichia coli untersucht. TusA ist das tRNA-2-Thiouridin-synthetisierende Protein A und katalysiert durch Interaktion mit der Housekeeping-L-Cystein-Desulfurase IscS die Biosynthese des thio-modifizierten Nukleotids mnm5s2U34, das in tRNALys, tRNAGlu und tRNAGln vorkommt. Diese Modifikation ist wichtig, um eine korrekte Translationseffizienz für verschiedene Proteine zu gewährleisten. TusA fördert auch den zweiten Schritt der Biosynthese des Molybdän-Cofaktors (Moco). Die Deletion des tusA-Gens hat eine pleiotropic Wirkung auf die E. coli Zelle, die einen Phänotyp zeigt, der durch eine verringerte Moco-Biosynthese, eine Beeinträchtigung des Wachstums und der Zellteilung, einen geringeren Fe-S-Cluster-Spiegel und eine Akkumulation von Eisen gekennzeichnet ist.
Eisen ist für viele biologische Prozesse wichtig, darunter der TCA-Zyklus, die DNA-Biosynthese, die Stickstofffixierung, der Elektronentransport und die Atmung. Aufgrund seiner Unverzichtbarkeit und hohen Reaktivität muss die intrazelluläre Eisenkonzentration von der Zelle streng kontrolliert werden. In E. coli ist der Eisenaufnahme-Regulator (Fur) hauptsächlich für die Feinabstimmung der Eisenhomöostase verantwortlich. Diese Studie zeigt, dass die Deletion des tusA-Gens die Translation des Fur-Proteins reduziert und verzögert, da die spezifische tRNA-Thiolierung fehlt. Dies führt zu einer Akkumulation von Eisen in der Zelle und bewirkt zusammen mit einer komplexen Fehlregulierung von Transkriptionsfaktoren, kleinen RNAs und Modulatoren (wie FNR, cAMP-CRP, ErpA, RyhB, FnrS, IscR, CyaY) eine Verringerung der durch die ISC- und SUF-Systeme gebildeten Fe-S-Cluster.
Das ISC- und das SUF-System sind die beiden wichtigsten Mechanismen zur Bildung von Fe-S-Clustern in E. coli. Beide Systeme mobilisieren den Schwefel durch L-Cystein-Desulfurasen, IscS bzw. SufS. Während sich das SUF-System auf die Produktion von Fe-S-Clustern beschränkt und hauptsächlich unter oxidativem Stress und eisenlimitierenden Bedingungen aktiv ist, ist das ISC-System für die Mobilisierung von Schwefel in verschiedenen essenziellen biologischen Pfaden unter normalen oder eisenreichen Bedingungen verantwortlich. Die L-Cystein-Desulfurase IscS spielt eine zentrale Rolle als Schwefeldonor für die Biosynthese zahlreicher schwefelhaltiger Biomoleküle durch Interaktionen mit mehreren Partnerproteinen, die an verschiedenen Stellen binden. Neben TusA interagiert IscS mit IscU, CyaY, Fdx, IscX, die an der Bildung von Eisen-Schwefel-Clustern (Fe-S) beteiligt sind, und mit ThiI, das für die Biosynthese von Thiamin und die tRNA-Modifikation s4U8 erforderlich ist. Frühere Studien legten nahe, dass IscS jeweils nur einen Schwefelakzeptor binden kann. Die Vorliebe von IscS für einen bestimmten Interaktionspartner und folglich die Richtung, die der Schwefel einschlägt, ist nicht vollständig geklärt. Diese Studie zeigt, dass TusA eine ähnliche, aber geringere Affinität zu IscS hat als IscU und unter bestimmten Bedingungen in der Lage ist, IscU teilweise aus seiner Bindung mit IscS zu verdrängen. Die Ergebnisse deuten auf die Bildung eines Heterokomplexes hin, bei dem ein IscS-Dimer an einzelne TusA- und IscU-Moleküle gebunden ist. In diesem Komplex beeinträchtigt TusA die L-Cystein-Desulfurase-Aktivität von IscS und lenkt den Schwefelfluss eher in Richtung Moco-Biosynthese und tRNA-Thiolierung als in Richtung Fe-S-Cluster-Bildung um.
Außerdem kann TusA CyaY vollständig aus seinem Komplex mit IscS verdrängen. CyaY ist das Frataxin-Homolog von E. coli, und seine negative modulierende Wirkung auf die Bildung von Fe-S-Clustern durch das ISC-System wurde eingehend untersucht. In dieser Arbeit wurde die Möglichkeit untersucht, dass das verdrängte CyaY mit der zweiten L-Cystein-Desulfurase SufS interagieren könnte. Die Ergebnisse zeigen, dass CyaY in der Lage ist, mit SufS zu interagieren, sowohl allein als auch im Komplex mit SufE, und dessen Aktivität in vitro drastisch zu reduzieren. Die Überexpression von CyaY in vivo hat zur Folge, dass die L-Cystein-Desulfurase-Aktivität sowohl von IscS als auch von SufS unter verschiedenen Wachstumsbedingungen reduziert wird.
Insgesamt zeigt diese Arbeit eine neue Rolle von TusA bei der Regulierung der Eisenhomöostase und, zusammen mit CyaY, bei der Modulation der L-Cystein-Desulfurasen IscS und SufS
Empowering educators
No full textThis quick guide, Empowering Educators, introduces AI and digital media as practical tools for reducing teachers' workloads by streamlining tasks like lesson planning, assessments, and classroom management while emphasizing the irreplaceable role of educators in fostering meaningful learning experiences. It provides actionable insights and examples as a starting point for exploring how technology can enhance teaching without compromising human connections in education
Dance of odd-diffusive particles
No full textOdd-diffusive systems are characterized by transverse responses and exhibit unconventional behaviors in interacting systems. To address the dynamical interparticle rearrangements in a minimal system, we here exactly solve the problem of two hard disklike interacting odd-diffusing particles. We calculate the probability density function (PDF) of the interacting particles in the Fourier-Laplace domain and find that oddness rotates all modes except the zeroth, resembling a mutual rolling of interacting odd particles. We show that only the first Fourier mode of the PDF, the polarization, enters the calculation of the force autocorrelation function (FACF) for generic systems with central-force interactions. An analysis of the polarization as a function of time reveals that the relative rotation angle between interacting particles overshoots before relaxation, thereby rationalizing the recently observed oscillating FACF in odd-diffusive systems
Elective Affinities
No full textFrom the nineteenth century to the present, literary entanglements between Latin America and East Central Europe have been socio-politically and culturally diverse, but never random. The Iron Curtain, in particular, forced both regions to negotiate transatlantic «elective affinities», to take a stance in relation to the West, and to position themselves within world literature. As a result, the intellectual fields and creative productions of these regions have critically engaged with notions such as «post-imperial», «marginal», or «peripheral».
In this edited volume, scholars from Germany, Brazil, Czech Republic, Hungary, Mexico, Poland, Slovenia, and Spain cross the globe from South to East and back to uncover transcultural and transareal convivialities. Their papers explore literary history, poetics, intellectual networks, and aesthetic theory, while discussing new key concepts in global literary history
Strategievergleich internationaler Großbanken
No full text»Strategies of International Large Banks. An Empirical Analysis of the Internationalization, and the Effect on the Financial Success of Global Systemically Important Banks«: This book examines in particular the question how the internationalization of large banks has developed (also in a regional comparison) and which effects are associated with financial success. In addition to analyzing theoretical approaches, previous research and development trends of international banks, the empirical part analyses 35 banks from Europe, North America and Asia (based on the G-SIBs) for the period 2007 to 2019.Die Forschungsarbeit beschäftigt sich insbesondere mit der Frage, inwieweit sich die Internationalisierung von Großbanken in Europa, Nordamerika und Asien nach der Finanzkrise 2008 fortentwickelt hat, welche regionalen Schwerpunkte die Geschäftsstrategien/-segmente unterschiedlicher Marktteilnehmer favorisieren und welche finanziellen Erfolge dabei erzielt werden konnten. Die Ergebnisse sind durchaus differenziert. Neben der Auseinandersetzung mit theoretischen Ansätzen und bisherigen Forschungen werden im empirischen Teil 35 Großbanken (basierend auf den global systemrelevanten Banken, G-SIBs) für den Zeitraum 2007 bis 2019 untersucht. Verwendung finden sowohl Kapitalmarkt- wie auch Bilanzdaten der führenden Banken der Welt. Der Autor betritt mit seiner empirischen Langzeitbetrachtung der G-SIBs, der Messung des Internationalisierungsgrades sowie verschiedener Erfolgskennziffern im globalen Vergleich Neuland und liefert eine Fülle statistischer Ergebnisse, welche die wissenschaftliche Diskussion anregen wird
20 Probleme aus dem Eigentümer-Besitzer-Verhältnis
No full textZum Werk
Der Band zum Eigentümer-Besitzer-Verhältnis erscheint nunmehr in 10. Auflage und behandelt in bewährter Darstellungsform die wichtigsten in den Übungen und im Examen zur Bearbeitung gestellten Streitfragen aus diesem Bereich des Sachenrechts.
Die einzelnen Probleme werden anhand von Beispielfällen erklärt, die in Lehre und Rechtsprechung vertretenen Meinungen werden einander dabei gegenübergestellt, die sie tragenden Argumente werden in Kürze herausgearbeitet und an weiteren Fällen erprobt. Auf diese Weise entwickeln Studierende das für die Falllösung relevante juristische Problembewusstsein sowie die Fähigkeit, die verschiedenen Ansichten und Argumente gegeneinander abzuwägen, eine eigene Meinung zu bilden und sie überzeugend zu begründen.
Vorteile auf einen Blick alle relevanten Probleme zum Eigentümer-Besitzer-Verhältnis in einem Band umfassende Fundstellensammlung für die in Lehre und Rechtsprechung vertretenen Meinungen
Zur Neuauflage
Für die Neuauflage wurden die aktuelle Literatur sowie die neueste Rechtsprechung eingearbeitet sowie ein Abschnitt zum Aufbau von Meinungsstreits in Prüfungen ergänzt.
Zielgruppe
Für Studierende der Rechtswissenschaften, Rechtsreferendarinnen und -referendare und AG-Leiterinnen und -Leiter
‘He had thoughtlessly accepted certain gifts’
No full textIt has been highlighted many times how difficult it is to draw a boundary between gift and bribe, and how the same transfer can be interpreted in different ways according to the position of the observer and the narrative frame into which it is inserted. This also applied of course to Ancient Rome; in both the Republic and Principate lawgivers tried to define the limits of acceptable transfers and thus also to identify what we might call ‘corruption’. Yet, such definitions remained to a large extent blurred, and what was constructed was mostly a ‘code of conduct’, allowing Roman politicians to perform their own ‘honesty’ in public duty – while being aware at all times that their involvement in different kinds of transfer might be used by their opponents against them and presented as a case of ‘corrupt’ behaviour
Konzepte und Techniken für 3D-eingebettete Treemaps und ihre Anwendung auf Softwarevisualisierung
No full textThis thesis addresses concepts and techniques for interactive visualization of hierarchical data using treemaps. It explores (1) how treemaps can be embedded in 3D space to improve their information content and expressiveness, (2) how the readability of treemaps can be improved using level-of-detail and degree-of-interest techniques, and (3) how to design and implement a software framework for the real-time web-based rendering of treemaps embedded in 3D. With a particular emphasis on their application, use cases from software analytics are taken to test and evaluate the presented concepts and techniques.
Concerning the first challenge, this thesis shows that a 3D attribute space offers enhanced possibilities for the visual mapping of data compared to classical 2D treemaps. In particular, embedding in 3D allows for improved implementation of visual variables (e.g., by sketchiness and color weaving), provision of new visual variables (e.g., by physically based materials and in situ templates), and integration of visual metaphors (e.g., by reference surfaces and renderings of natural phenomena) into the three-dimensional representation of treemaps.
For the second challenge—the readability of an information visualization—the work shows that the generally higher visual clutter and increased cognitive load typically associated with three-dimensional information representations can be kept low in treemap-based representations of both small and large hierarchical datasets. By introducing an adaptive level-of-detail technique, we cannot only declutter the visualization results, thereby reducing cognitive load and mitigating occlusion problems, but also summarize and highlight relevant data. Furthermore, this approach facilitates automatic labeling, supports the emphasis on data outliers, and allows visual variables to be adjusted via degree-of-interest measures.
The third challenge is addressed by developing a real-time rendering framework with WebGL and accumulative multi-frame rendering. The framework removes hardware constraints and graphics API requirements, reduces interaction response times, and simplifies high-quality rendering. At the same time, the implementation effort for a web-based deployment of treemaps is kept reasonable.
The presented visualization concepts and techniques are applied and evaluated for use cases in software analysis. In this domain, data about software systems, especially about the state and evolution of the source code, does not have a descriptive appearance or natural geometric mapping, making information visualization a key technology here. In particular, software source code can be visualized with treemap-based approaches because of its inherently hierarchical structure. With treemaps embedded in 3D, we can create interactive software maps that visually map, software metrics, software developer activities, or information about the evolution of software systems alongside their hierarchical module structure.
Discussions on remaining challenges and opportunities for future research for 3D-embedded treemaps and their applications conclude the thesis.Diese Doktorarbeit behandelt Konzepte und Techniken zur interaktiven Visualisierung hierarchischer Daten mit Hilfe von Treemaps. Sie untersucht (1), wie Treemaps im 3D-Raum eingebettet werden können, um ihre Informationsinhalte und Ausdrucksfähigkeit zu verbessern, (2) wie die Lesbarkeit von Treemaps durch Techniken wie Level-of-Detail und Degree-of-Interest verbessert werden kann, und (3) wie man ein Software-Framework für das Echtzeit-Rendering von Treemaps im 3D-Raum entwirft und implementiert. Dabei werden Anwendungsfälle aus der Software-Analyse besonders betont und zur Verprobung und Bewertung der Konzepte und Techniken verwendet.
Hinsichtlich der ersten Herausforderung zeigt diese Arbeit, dass ein 3D-Attributraum im Vergleich zu klassischen 2D-Treemaps verbesserte Möglichkeiten für die visuelle Kartierung von Daten bietet. Insbesondere ermöglicht die Einbettung in 3D eine verbesserte Umsetzung von visuellen Variablen (z.B. durch Skizzenhaftigkeit und Farbverwebungen), die Bereitstellung neuer visueller Variablen (z.B. durch physikalisch basierte Materialien und In-situ-Vorlagen) und die Integration visueller Metaphern (z.B. durch Referenzflächen und Darstellungen natürlicher Phänomene) in die dreidimensionale Darstellung von Treemaps.
Für die zweite Herausforderung – die Lesbarkeit von Informationsvisualisierungen – zeigt die Arbeit, dass die allgemein höhere visuelle Unübersichtlichkeit und die damit einhergehende, erhöhte kognitive Belastung, die typischerweise mit dreidimensionalen Informationsdarstellungen verbunden sind, in Treemap-basierten Darstellungen sowohl kleiner als auch großer hierarchischer Datensätze niedrig gehalten werden können. Durch die Einführung eines adaptiven Level-of-Detail-Verfahrens lassen sich nicht nur die Visualisierungsergebnisse übersichtlicher gestalten, die kognitive Belastung reduzieren und Verdeckungsprobleme verringern, sondern auch relevante Daten zusammenfassen und hervorheben. Darüber hinaus erleichtert dieser Ansatz eine automatische Beschriftung, unterstützt die Hervorhebung von Daten-Ausreißern und ermöglicht die Anpassung von visuellen Variablen über Degree-of-Interest-Maße.
Die dritte Herausforderung wird durch die Entwicklung eines Echtzeit-Rendering-Frameworks mit WebGL und akkumulativem Multi-Frame-Rendering angegangen. Das Framework hebt mehrere Hardwarebeschränkungen und Anforderungen an die Grafik-API auf, verkürzt die Reaktionszeiten auf Interaktionen und vereinfacht qualitativ hochwertiges Rendering.
Gleichzeitig wird der Implementierungsaufwand für einen webbasierten Einsatz von Treemaps geringgehalten.
Die vorgestellten Visualisierungskonzepte und -techniken werden für Anwendungsfälle in der Softwareanalyse eingesetzt und evaluiert. In diesem Bereich haben Daten über Softwaresysteme, insbesondere über den Zustand und die Evolution des Quellcodes, keine anschauliche Erscheinung oder natürliche geometrische Zuordnung, so dass die Informationsvisualisierung hier eine Schlüsseltechnologie darstellt. Insbesondere Softwarequellcode kann aufgrund seiner inhärenten hierarchischen Struktur mit Hilfe von Treemap-basierten Ansätzen visualisiert werden. Mit in 3D-eingebetteten Treemaps können wir interaktive Softwarelagekarten erstellen, die z.B. Softwaremetriken, Aktivitäten von Softwareentwickler*innen und Informationen über die Evolution von Softwaresystemen in ihrer hierarchischen Modulstruktur abbilden und veranschaulichen.
Diskussionen über verbleibende Herausforderungen und Möglichkeiten für zukünftige Forschung zu 3D-eingebetteten Treemaps und deren Anwendungen schließen die Arbeit ab
