Project: 635.000.014

Titel: Een Probleem Oplossings Omgeving (POO) voor hiërarchische modellering van tijdsopgeloste spectra.

Hoofdaanvrager: I.H.M. van Stokkum

Lekenverslag

Titel: Een programma voor analyse van lichtreacties

Lichtreacties worden benut om energie om te zetten in de fotosynthese, en voor waarneming, denk aan het oog en fotografie. Ze vinden plaats in kleurstofmoleculen die de lichtenergie kunnen absorberen. In de natuur zijn deze kleurstofmoleculen gebonden aan eiwitten, en om deze lichtreacties op moleculaire schaal te begrijpen worden ze in het laboratorium uitgelokt met een korte laserflits. Daarna worden de kleurveranderingen van het monster gemeten, op tijdschalen van miljoensten van miljoensten seconden. Dit heet tijdsopgeloste spectroscopie. De metingen van het licht als functie van kleur (golflengte) en tijd worden opgeslagen in de computer en daarna geanalyseerd. Voor deze analyse is een programma ontwikkeld waarmee de ingewikkelde lichtreacties uiteengerafeld kunnen worden. Dit leidt tot begrip van de verschillende moleculaire toestanden die betrokken zijn bij de lichtreacties, en de tijdschalen waarop de reacties plaatsvinden kunnen bepaald worden. Deze kennis draagt bij aan verdere ontwikkeling van de nanotechnologie, waarbij een van de doelen kunstmatige fotosynthese is. De analyse bestaat uit twee samenhangende problemen: het vinden van een geschikt wiskundig model, en het bepalen van de meest waarschijnlijke parameters van dat model. De parameters worden geschat met verfijnde statistische methoden. Het vinden van een geschikt model betekent veel modellen proberen, en daarvoor is een flexibel programma noodzakelijk. Een voorbeeld van een model is een toestand die vervalt naar een andere toestand die op zijn beurt vervalt. De parameters zijn dan de vervalsnelheden (omgekeerde van de levensduren) en de spectra van de toestanden. Een alternatief model bevat bijvoorbeeld een tussenliggende toestand. Het Computational Science project omvat het ontwerp en de implementatie van een software omgeving voor het oplossen van problemen (POO) op het gebied van modellering en parameterschatting. De modellering is toegesneden op tijdsopgeloste spectra, die gemeten worden om de dynamica van complexe (biologische) systemen te begrijpen. De omgeving dient om het juiste type model te kunnen vinden en om de bijbehorende modelparameters te schatten. Een model kan worden opgebouwd uit bouwstenen die een bepaald aspect van de systeemeigenschappen of van het meetproces beschrijven. Voorbeelden van bouwstenen zijn: een compartimenten model om de dynamica te beschrijven, een spectraal model, en een model voor de instrumentrespons. Door deze hiërarchische structuur kan de gebruiker eenvoudig modelaannames betreffende een bouwsteen uittesten en wijzigen. Door flexibele combinatie van de bouwstenen kan de gebruiker zeer geavanceerde modellen gebruiken om wetenschappelijke informatie uit de vaak massale datasets te destilleren. Interactief gebruik van de POO kan de rekenkracht van parallelle computers vergen. De POO wordt gebruikt door vele wetenschappers in binnen- en buitenland waarmee wordt samengewerkt. De resultaten van dit project zijn enerzijds het programma waarvan een eerste publieke versie in 2006 te verwachten is, en anderzijds vele succesvolle applicaties, zoals blijkt uit de wetenschappelijke publicaties. De publicaties hebben betrekking op de ontwikkelde analysemethode, op de POO, op verbeterde modellen voor analyse, en op succesvolle analyses van tijdsopgeloste spectra, waaruit een beter begrip van de moleculaire systemen is ontstaan.

1a Publicaties in gerefereerde tijdschriften of in gerefereerde proceedings

1 I. H. M. van Stokkum, D. S. Larsen, R. van Grondelle (2004) Global and target analysis of time resolved spectra, Biochim. Biophys. Acta 1657, 82-104, and 1658, 262 (Erratum)

2 K. M. Mullen, M. Vengris, I. H. M. van Stokkum (2005) Fitting separable nonlinear spectrotemporal models, Proceedings of the International Workshop on Global Optimization (GO’05), Ed.: Garcia, I., Hendrix, E.M.T., and Toth, B., pp. 183-188.

3 I. H. M. van Stokkum, H. E. Bal (2006) A Problem Solving Environment for interactive modelling of multiway data, Concurrency Computat: Pract. Exper. 18, 263-269