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Beiträge zur Glykobioinformatik Entwicklung von Software-Werkzeugen für die Glykobiologie

Lohmann, Klaus Karl

English Title: Development of software-tools for glyco-bioinformatics

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PDF, German
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Abstract

Die vorliegende Arbeit umfasst die Entwicklung von Algorithmen und Strategien zur Analyse von Massenspektren von Glykanen und Kohlenhydrate sowie Strategien zur voll- und halbautomatischen Aktualisierung und Annotierung einer bestehenden Datenbank der Sweet-DB. Für die Glykomik fehlte es bisher an Algorithmen, die ähnlich wie im Bereich der Proteomik bei der Sequenzierung von Peptiden, dem Benutzer eine Hilfe bei der Analyse von N-, O-Glykanen und Lipopolysacchariden sind. Die Zusammensetzung dieser Verbindungen ist aber für das Verständnis der zellulären Stoffwechsel-physiologie von essentieller Bedeutung. Im Rahmen der Entwicklung von Algorithmen zur Aufklärung von Massenspektren wurden insgesamt drei Programme entwickelt, die es dem Forscher gestatten, eine große Anzahl von Spektren, die im Bereich der Proteomik und Glykomik anfallen, auszuwerten. Dabei entstanden die Programme findYSeries, Glyco-Fragment und peakAssign, die eine schnellere Auswertung von Massenspektren im Bereich der Glykobiologie gestatten. So kann mit diesen Programmen die glykosylierte Aminosäure, die Komposition, die Anzahl der Antennen eines Glykans oder sogar die Sequenz eines Kohlenhydrats ermittelt werden. Im selben Maße wie der Bedarf an Programmen zur Auswertung von Messdaten zunimmt, steigt auch die Menge der daraus gewonnenen Erkenntnisse und Informationen. Diese Daten müssen dem Benutzer in entsprechenden Datenbanken zur Verfügung gestellt werden. In der Vergangenheit hat es sich leider gezeigt, dass dieser Prozess durch die damit verbundenen Kosten zum Ende eines Projektes führen kann. In dieser Arbeit sind verschiedene Strategien dargestellt worden, die zum Teil eine automatische Annotierung der Daten gestatten. Bei der Umsetzung sind zwei Erweiterungen der Sweet-Db entstanden. Die Algorithmen der Programme Glyco-Search-Ms und Glycan-Profiling gestatten eine schnelle Suche in einer theoretischen Vergleichsspektren-Sammlung. Bei der Verwaltung des Datenbestandes sind in erster Linie die Arbeitsumgebung zur Verwaltung von NMR- und Massenspektren zu nennen. Es wurde eine dezentrale Lösung geschaffen, die es dem Benutzer ermöglicht seine lokal gemessenen Spektren in dieser Datenbank zu verwalten. Hat er seine Ergebnisse veröffentlicht, können die Spektren über die beschriebenen Schnittstellen sofort in der Sweet-Db veröffentlicht werden. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Daten ohne erneute Eingabe in die Datenbank übernommen werden können. In einem ersten Test wurden von zwei Hilfskräften ohne größere Probleme 347 Spektren über die Arbeitsumgebung eingeben und stehen nun der Sweet-Db zur Verfügung. Mit Hilfe der Programme autoReference und Reference konnte die Aktualisierung der Literatur zumindest semiautomatisch erfolgen. Ausgehend von einer Liste mit Trivialnamen kann in regelmäßigen Abständen in der Pubmed gesucht werden. Diese Rohdaten werden in einer temporären Datenbank zwischengespeichert und werden nach einer Kontrolle durch einen Experten in die Sweet-Db eingetragen.

Translation of abstract (English)

This thesis contains the development of algorithm and strategies to analyse mass spectra of glycans and carbohydrates and contains strategies to annotate an existing database in a full- or at least semi-automatic way. There are no algorithms, which can be used to sequence N-, O-linked glycans or lipopoly-saccharides, like the algorithm that are used to sequence peptides. The knowledge of the composition of these carbohydrates is of essential meaning for the understanding of cellular metabolic pathways. As part of the development of algorithms to assist the process of analyzing mass spectra in the glycobiologic area, three tools have been developed. The tools Glyco-Fragment, findYSeries and peakAssign help the researcher to utilize the data of mass spectra in the glycobiologic area in a fast and effective way. These tools can be used to find the glycosylated amino acid, to analyse the composition, to determine the number of antennas or to elucidate the sequence of a carbohydrate. The great many of measured data and the number of increasing information in the glycobiologic area has to be annotated and researchers should have the opportunity to gain access to this data in form of a database. In the last years the process of annotation was done in a manual way. The costs of these process leads to the end of different database projects. As part of this thesis enhancement of the Sweet-Db and strategies to annotate the data in an effective way have been developed, to reduce these costs. The algorithms of Glyco-Search-Ms and Glycan-Profiling allow a fast retrieval in a library of theoretical mass spectra. The increasing amount of measured raw data, lead to the development of a framework to annotate NMR- and mass spectra easily by the user. The framework allows the user to annotate the data on a local computer. When the data is published data can be easily transferred to an existing database with XML-containers, to reduce the number of possible errors and the amount of work. Two students have tested this framework. They could increase the number of stored NMR spectra in the Sweet-Db by 347. The bibliographical data could be updated in a semi-automatic way by using the tools autoReference and Reference. Based on a list of common used names for chemical compounds the data of the Pubmed can be searched in regular intervals. The collected raw data is temporarily stored and will be entered into Sweet-Db after a check by an expert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wießler, Prof. Dr. Manfred
Date of thesis defense: 2 December 2003
Date Deposited: 17 Dec 2003 16:05
Date: 2003
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Institute of Pharmacy and Molecular Biotechnology
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Massenspektrometrie, Glykane <N->, Strukturaufklärung, Datenbankverwaltung, Proteomanalyse
Uncontrolled Keywords: Massenspektrometrie , Glykan , Strukturaufklärung , Datenannotation , Glykomikglycan , mass spectrometry , structure elucidation , data annotation , glycomics
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