Kryo-EM Rechencluster

• Fachliche Zuordnung: Grundlagen der Biologie und Medizin
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 580866234

In den vergangenen Jahren hat die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), einschließlich der Einzelpartikelanalyse und der Kryo-Elektronentomographie, das Gebiet der Strukturbiologie grundlegend revolutioniert. Sie hat sich als unverzichtbare Methode in den Lebenswissenschaften etabliert und bietet zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Strukturaufklärungstechniken. Die Kryo-EM ermöglicht die hochaufgelöste Visualisierung biologischer Makromoleküle sowohl in vitro als auch in situ und liefert dabei entscheidende Einblicke in ihre molekularen Strukturen, Wirkmechanismen, Funktionen und Regulationsprozesse sowie in ihre Interaktionen mit anderen Proteinen und ihrer zellulären Umgebung. Trotz ihrer zentralen Bedeutung steht die Kryo-EM weiterhin vor mehreren Herausforderungen. Dazu gehören die hohen Anschaffungs- und Wartungskosten von Elektronenmikroskopen, begrenzte Zugangszeiten und der Bedarf an lokaler Expertise, welche alle an der Universität Heidelberg abgedeckt und gesichert sind. Eine weitere häufig unterschätzte Herausforderung liegt im außergewöhnlich hohen Bedarf an dedizierten Rechenressourcen. Während der Einzelpartikelanalyse werden Millionen von Partikeln iterativ identifiziert, aligniert, klassifiziert und in dreidimensional verfeinert – ein Prozess, der in besonderem Maße GPU-intensiv ist. Die Rekonstruktion einer hochaufgelösten Kryo-EM-Dichte basiert somit auf der Verarbeitung von mehreren Dutzend Terabyte an Daten, deren Bildanalyse sich oft über mehrere Monate bis hin zu Jahren erstreckt. Diese Bildanalyse setzt sich aus einer Vielzahl einzelner Rechenaufträge zusammen, von denen jeder eine Vielzahl von GPU-Berechnungen erfordert. Der Rechenbedarf steigt zusätzlich bei der Analyse kleiner Membranproteine oder bei Komplexen mit hoher konformationeller oder kompositioneller Heterogenität – also genau der Proben, die im Rahmen der hier beantragten Forschungsprojekte untersucht werden. Um diesen stetig wachsenden Anforderungen gerecht zu werden und gleichzeitig den vollständigen Übergang von einer dezentralen zu einer zentralisierten Lösung zu ermöglichen, zielt der vorliegende Antrag auf die Erweiterung des bestehenden zentralen Hochleistungsrechner-Clusters (HPC) ab. Damit soll eine nachhaltige, skalierbare und effiziente Infrastruktur für die Kryo-EM-Forschung geschaffen werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Kryo-EM Rechencluster
• Gerätegruppe: 7000 Datenverarbeitungsanlagen, zentrale Rechenanlagen
• Antragstellende Institution: Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
• Leiterin: Professorin Dr. Cristina Paulino