Einzelzellomics bieten unvoreingenommene Einblicke in Transkriptionsprogramme und Genom-Zugänglichkeiten auf zellulärer Ebene, auch wenn der zelluläre Kontext verloren geht. Wir haben einen virtuellen Multi-omic Embryo der Drosophila melanogaster erstellt, basierend auf den Datentypen RNA (Transkriptom) und ATAC (Zugänglichkeit der DNA), welche gleichzeitig auf Einzelzell Ebene erhoben wurden. Mithilfe des Tools novoSpaRc, welches den räumlichen Ursprung der Zellen rekonstruiert, konnte ein regulatorischen Bauplan erstellt werden, der die Genexpression und die Zugänglichkeit von Enhancern widerspiegelt. Diese Ressource hilft beim Verständnis der regulatorischen Dynamik in der Entwicklung. Bei der Untersuchung von ATAC-Peaks konnten wir Überschneidungen zwischen den Mustern der Chromatin Zugänglichkeit und der Aktivität unabhängiger getesteter Enhancer feststellen, was die Bedeutung der Zugänglichkeit unterstreicht. Die nicht-negative Matrixfaktorisierung identifizierte Archetypen der Genexpression und der Chromatin-Zugänglichkeit. Archetypen, die möglicherweise durch Transkriptionsfaktoren (TFs) reguliert werden, wurden einer Motiv-Anreicherungsanalyse für Archetyp-assoziierte CRMs unterzogen. Ein Ansatz zur Vorhersage von Enhancern, ordnete die Enhancer den Genen auf der Grundlage partieller Ähnlichkeit der Muster zu. Zusammenfassend dient unser multimodaler virtueller Embryo als Ressource und präsentiert zum ersten Mal räumliche Chromatin-Zugänglichkeiten für genomische Regionen für einen ganzen Organismus. Die Ergebnisse geben Aufschluss über die Prinzipien der Genregulation und zeigen den regulatorischen Einfluss von Transkriptionsfaktoren auf den Chromatinzustand von Enhancern. / Single-cell-omics techniques provide unbiased insights into transcriptional programs and genomic accessibility patterns at the cellular level despite sacrificing spatial information. We created a multi-omic virtual Drosophila melanogaster stage 6 embryo by simultaneously assessing genome accessibility and transcriptional states in individual cells. Using novoSpaRc, a spatial mapping tool, we accurately reconstructed the spatial origin of cells, yielding a regulatory blueprint reflecting gene expression and enhancer accessibilities. This resource aids in understanding developmental regulatory dynamics. Examining ATAC-peaks, we observed overlapping chromatin accessibility patterns with the activity of independently testes enhancers, emphasizing accessibility's importance. Non-negative matrix factorization identified archetypes in gene expression and chromatin accessibility. Accessibility archetypes, potentially regulated by transcription factors (TFs), were subjected to motif enrichment analysis for archetype-associated CRMs. An enhancer prediction approach, utilizing a generalized linear model, assigned enhancers to genes based on partial pattern similarity. In summary our multi-modal virtual embryo serves as a resource and presents for the first time single-cell chromatin accessibilities for genomic regions reconstructed in space for a whole organism in a single developmental stage. The results shed light on gene regulatory principles, highlighting the regulatory impact of TFs on chromatin states of enhancers.

Peer-Daten-Management-Systeme (PDMS) bestehen aus einer hochdynamischen Menge heterogener, autonomer Peers. Die Peers beantworten Anfragen einerseits gegen lokal gespeicherte Daten und reichen sie andererseits nach einer Umschreibung anhand von Schema-Mappings an benachbarte Peers weiter. Solche aufgrund fehlender zentraler Komponenten eigentlich hoch- flexiblen Systeme leiden bei zunehmender Anzahl von Peers unter erheblichen Effi- zienzproblemen. Die Gründe hierfür liegen in der massiven Redundanz der Pfade im Netzwerk der Peers und im Informationsverlust aufgrund von Projektionen entlang von Mapping-Pfaden. Anwender akzeptieren in hochskalierten Umgebungen zum Datenaustausch in vielen Anwendungsszenarien Konzessionen an die Vollständigkeit der Anfrageergebnisse. Unser Ansatz sieht in der Vollständigkeit ein Optimierungsziel und verfolgt einen Kompromiß zwischen Nutzen und Kosten der Anfragebearbeitung. Hierzu schlagen wir mehrere Strategien für Peers vor, um zu entscheiden, an welche Nachbar-Peers Anfragen weitergeleitet werden. Peers schließen dabei Mappings von der Anfragebearbeitung aus, von denen sie ein geringes Verhältnis von Ergebnisgröße zu Kosten, also geringe Effizienz erwarten. Als Basis dieser Schätzungen wenden wir selbstadaptive Histogramme über die Ergebniskardinalität an und weisen nach, daß diese in dieser hochdynamischen Umgebung ausreichende Genauigkeit aufweisen. Wir schlagen einen Kompromiß zwischen der Nutzung von Anfrageergebnissen zur Anpassung dieser Metadaten-Statistiken und der Beschneidung von Anfrageplänen vor, um den entsprechenden Zielkonflikt aufzulösen. Für eine Optimierungsstrategie, die das für die Anfragebearbeitung verwendete Zeit-Budget limitiert, untersuchen wir mehrere Varianten hinsichtlich des Effizienzsteigerungspotentials. Darüber hinaus nutzen wir mehrdimensionale Histogramme über die Überlappung zweier Datenquellen zur gezielten Verminderung der Redundanz in der Anfragebearbeitung. / Peer data management systems (PDMS) consist of a highly dynamic set of autonomous, heterogeneous peers connected with schema mappings. Queries submitted at a peer are answered with data residing at that peer and by passing the queries to neighboring peers. PDMS are the most general architecture for distributed integrated information systems. With no need for central coordination, PDMS are highly flexible. However, due to the typical massive redundancy in mapping paths, PDMS tend to be very inefficient in computing the complete query result as the number of peers increases. Additionally, information loss is cumulated along mapping paths due to selections and projections in the mappings. Users usually accept concessions on the completeness of query answers in large-scale data sharing settings. Our approach turns completeness into an optimization goal and thus trades off benefit and cost of query answering. To this end, we propose several strategies that guide peers in their decision to which neighbors rewritten queries should be sent. In effect, the peers prune mappings that are expected to contribute few data. We propose a query optimization strategy that limits resource consumption and show that it can drastically increase efficiency while still yielding satisfying completeness of the query result. To estimate the potential data contribution of mappings, we adopted self-tuning histograms for cardinality estimation. We developed techniques that ensure sufficient query feedback to adapt these statistics to massive changes in a PDMS. Additionally, histograms can serve to maintain statistics on data overlap between alternative mapping paths. Building on them, redundant query processing is reduced by avoiding overlapping areas of the multi-dimensional data space.

Verteilte Kommunikationssysteme haben in den letzten Jahren enorm an Bedeutung gewonnen, insbesondere durch die Vielzahl von Anwendungen in unserem Alltag. Die Heterogenität der Anwendungen und Anwendungsdomänen spricht für die Komplexität solcher Systeme und verdeutlicht die Herausforderungen, mit denen ihre Entwickler konfrontiert sind. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Unterstützung des Entwicklungsprozesses von Anwendungen für verteilte Kommunikationssysteme. Es gibt zwei Aspekte, die dabei berücksichtigt werden müssen. Der erste und offensichtlichste ist die Unterstützung der Entwicklung der Anwendung selbst, die letztendlich auf der vorhandenen verteilten Kommunikationsinfrastruktur bereitgestellt werden soll. Der zweite weniger offensichtliche, aber genauso wichtige Aspekt besteht in der Analyse der Anwendung vor ihrer eigentlichen Installation. Anwendungsentwicklung und analyse sind also "zwei Seiten der gleichen Medaille". Durch die Berücksichtigung beider Aspekt erhöht sich jedoch andererseits der Aufwand bei der Entwicklung. Die Arbeit kombiniert und erweitert vorhandene Technologien entsprechend dem modellgetriebenen Entwicklungsparadigma zu einer einheitlichen Entwicklungsmethode. Die Eigenschaften der Anwendung werden in einer vereinheitlichten Beschreibung erfasst, welche sowohl die automatische Überführung in Installationen auf echten Infrastrukturen erlaubt, als auch die Analyse auf der Basis von Modellen. Darüber hinaus wird der Entwicklungsprozess mit zusätzlicher Unterstützung bei der Visualisierung der Analyse ergänzt. Die Praktikabilität des Ansatzes wird anschließend anhand der Entwicklung und Analyse einer Anwendung zur Erdbebenfrühwarnung unter Beweis gestellt. / Distributed communication systems have gained a substantial importance over the past years with a large set of examples of systems that are present in our everyday life. The heterogeneity of applications and application domains speaks for the complexity of such systems and the challenges that developers are faced with. The focus of this dissertation is on the development of applications for distributed communication systems. There are two aspects that need to be considered during application development. The first and most obvious is the development of the application itself that will be deployed on the existing distributed communication infrastructure. The second and less obvious, but equally important, is the analysis of the deployed application. Application development and analysis are like "two sides of the the same coin". However, the separation between the two increases the cost and effort required during the development process. Existing technologies are combined and extended following the model-driven development paradigm to obtain a unified development method. The properties of the application are captured in a unified description which drives automatic transformation for deployment on real infrastructures and/or analysis. Furthermore, the development process is complemented with additional support for visualization to aid analysis. The defined approach is then used in the development of an alarming application for earthquake early warning.

Heutzutage besteht ein komplexes Software-System häufig aus lose gekoppelten, interagierenden Komponenten. Eine Komponente ist ein offenes System, das unabhängig von anderen offenen Systemen entwickelt und später mit diesen komponiert wird. Die Komposition L+R zweier offener Systeme L und R kann sich jedoch inkorrekt verhalten, beispielsweise verklemmen (die Komponenten warten gegenseitig aufeinander), in eine Endlosschleife geraten oder unbeschränkten Speicherplatz erfordern. Ist L+R dagegen ein korrektes System, bezeichnet man L und R als Partner voneinander. Formale Methoden der Modellierung, Analyse und Synthese ermöglichen die systematische Konstruktion eines korrekten Systems durch Komposition von Partnern. Die Kosten, die ein offenes System L verursacht, variieren in Abhängigkeit von der konkreten Wahl eines Partners. Es ist daher wünschenswert, L nur mit solchen Partnern zu komponieren, welche die Kosten von L beschränken oder sogar minimieren. Ein Partner, der die Kosten von L minimiert, ist ein optimaler Partner von L. Ziel dieser Arbeit ist die Erarbeitung von Techniken, die garantieren, dass L nur mit optimalen Partnern komponiert wird. Dazu entwickeln wir formale Methoden zur Modellierung, Analyse und Synthese kostenbehafteter offener Systeme und ihrer optimalen Partner. Wir präsentieren einen Formalismus zur Modellierung funktionaler (d.h. Zustandsübergänge) und nicht-funktionaler Verhaltenseigenschaften (d.h. Kosten). In diesem Formalismus definieren wir Kostenbeschränktheit und Optimalität von Partnern. Darauf aufbauend entwickeln wir formale Methoden zur Entscheidung der kostenbeschränkten Bedienbarkeit (d.h. der Existenz kostenbeschränkter Partner), der Synthese optimaler Partner und der endlichen Repräsentation aller optimalen Partner. / Nowadays, a complex software system usually consists of loosely-coupled, interacting components. Such a component is an independently developed open system that one composes with other open systems. The composition L+R of two open systems L and R can be faulty: For instance, the components deadlock (i.e. mutually wait for each other) or require an unbounded amount of memory. If L+R is correct, L and R are called partners of each other. Formal methods for modeling, analysis and synthesis yield a systematic approach to constructing a correct system by means of composing partners. The costs of executing a given open system L vary based on a chosen partner. Therefore, it is desirable to choose a partner that bounds or even minimizes the costs of executing L. If a partner R minimizes the costs of executing L, then R is an optimal partner of L. Our goal is to develop techniques that guarantee the composition of L with optimal partners. To this end, we develop formal methods of modeling, analysis and synthesis of open systems incorporating costs. We present a formalism to model functional aspects (i.e. states and transitions) and non-functional aspects (costs) of behavior. We define the properties of cost boundedness and cost optimality for partners in this formalism. Based thereon, we develop formal methods to decide cost bounded controllability (i.e. the existence of cost bounded partners), to synthesize optimal partners, and to finitely represent the set of all optimal partners.

Personalisierung ist ein aktuelles Thema im Bereich der Online-Lehre. Lernende sind divers, sie haben unterschiedliche Vorkenntnisse, adressieren verschiedene Lernziele und variieren in ihren (Lern-)Präferenzen. Aufgrund dieser Diversität besteht die Notwendigkeit, Onlinekurse an die Bedürfnisse der Lernenden anzupassen. Dabei wird das Ziel verfolgt, Lernende so zu motivieren, dass sie ein bestmögliches Lernergebnis erzielen können. Im Rahmen der Dissertation wurde die Domäne des Sprachenlernens gewählt, auf welche Methoden zur Personalisierung angewandt wurden. Eine initiale Analyse kommerzieller Sprachlern-Apps hat gezeigt, dass Personalisierung bislang nur rudimentär als Sequenzierungsstrategie umgesetzt wurde. Dabei beschränkt sich die Anwendung hauptsächlich auf das Lernen mit Karteikarten. Die Dissertation beschäftigt sich mit der übergeordneten Forschungsfrage wie Personalisierung in automatisch generierten Online-Sprachlernkursen angewandt und mit fundamentalen und experimentellen Sequenzierungsstrategien kombiniert werden kann. Hierzu setzt die vorliegende Arbeit eine modifizierte Version der "Meshing-Hypothese" exemplarisch als Sequenzierungsstrategie um. Die Idee dieser Strategie besteht darin, dass Lernende besser lernen, wenn die Lehrmethoden mit den Präferenzen der Lernenden übereinstimmen. Diese Strategie wird in der Forschung seit Jahrzehnten kontrovers diskutiert. In mehreren Schritten wurden verschiedene Perspektiven zur Anwendung der Personalisierung mit dieser Strategie untersucht. Zunächst wurde ein Instrument zur Erfassung von Präferenzen entwickelt. Die exemplarische Auswahl beschränkt sich auf jene Präferenzen, welche durch konkrete Lehrmethoden abgebildet werden können. Anschließend wurde ein Experiment durchgeführt, um Leistungsunterschiede zwischen Lernenden mit unterschiedlichen Präferenzen zu ermitteln. Dazu wurden Lehrmethoden in einen konkreten Sprachlernkurs mit einer vordefinierten Lernprogression imitiert. Im nächsten Schritt wurde die technische Basis für adaptive Kurse vorbereitet. Zu diesem Zweck wurde die Lernplattform Moodle funktional so angepasst, dass sie für Experimente zur Personalisierung von Onlinekursen genutzt werden kann. Danach wurde die inhaltliche Basis vorbereitet, welche die Generierung von Sprachlerneinheiten unter Verwendung modernster generativer Modelle ermöglicht. Die dabei entstehenden interaktiven Lernmaterialien wurden um Imitationen zu einer Auswahl von Lehrmethoden ergänzt. Das so generierte Lernmaterial musste anschließend in eine optimale Reihenfolge gebracht werden. Ein neuer Ansatz zur Kombination verschiedener Sequenzierungsstrategien wird unter der Verwendung generativer neuronaler Netze eingeführt. Darauffolgend wird ein Konzept vorgestellt, das es ermöglicht, Sequenzierungsstrategien zu verstärken, wenn sie einen positiven Effekt auf das Lernergebnis haben oder sie zu vergessen, wenn der Effekt zu gering ist oder nicht existiert. Das Konzept wurde zunächst simuliert. Anschließend wurden die generierten Lernmaterialien, die technische Basis, die Sequenzierungsstrategien und die Präferenzen der Lernenden in einem finalen Experiment kombiniert, um die modifizierte Meshing-Hypothese als Fallbeispiel umzusetzen. Hierzu wurde das vorweg simulierte Konzept des Verstärkens oder Vergessens von Sequenzierungsstrategien in einem realen Online-Sprachlernkurs praktisch angewandt. Die im Rahmen der Dissertation durchgeführten Experimente erlauben Schlussfolgerungen für die Generierung und Personalisierung von Sprachlernkursen. Darüber hinaus geben mehrere Machbarkeitsstudien (Proof-of-Concepts) Einblicke in die praktische Anwendbarkeit der Ansätze. / Recently, personalization has become a topic of some interest in the field of education. Learners possess different levels of prior knowledge, along with various learning goals and preferences. This diversity underscores the necessity of adapting online courses to suit learners’ needs, with the ultimate goal of engaging learners for optimal learning outcomes. As a representative domain, the field of language learning was chosen, to which personalization has been applied. An initial analysis of commercial language learning apps revealed the scarce realization of personalization, mainly limited to flashcard learning as an item sequencing strategy. Subsequently, the dissertation focused on the overall research question: How can personalization in auto-generated online language learning courses be utilized and combined with fundamental and experimental item sequencing strategies? Therefore, the dissertation employed a modified version of the “Meshing Hypothesis” as an example, proposing that students learn more effectively when instructional teaching methods align with their preference levels. Its original strategy has been controversially discussed in research for decades. The research unfolded in several stages to utilize personalization, commencing with the development of an instrument to collect preferences linked to instructional teaching methods. An experiment was conducted to discern performance differences among learners with varying preference levels. This involved imitating scenarios for some instructional teaching methods within an online language learning course that follows a fixed learning progression. The subsequent phase concentrated on preparing the technical groundwork for personalized courses. To this end, the Moodle learning platform was functionally adapted to facilitate experiments in personalizing online courses. Simultaneously, a contextual foundation was established, enabling the generation of template-based language learning units through cutting-edge generative models. Applied imitations of a selection of instructional methods enhanced the resulting interactive learning materials. In order to optimize the arrangement of the generated learning materials, a novel approach was introduced, combining multiple item sequencing strategies using generative neural networks. A conceptual framework was introduced, allowing for the amplification of sequencing strategies that positively impact learning outcomes or their removal if the effect is negligible. First, the concept was simulated. Then, the technical foundation, generated learning materials, item sequencing strategies, and learner preferences were combined in a final experiment to employ the modified Meshing Hypothesis and to utilize the idea of “unlearning” item sequencing strategies in a real online language learning course. The experiments conducted in this dissertation allow conclusions for generating and personalizing online language learning courses. Furthermore, several proof-of-concepts provide insights into the applicability of the approaches to be drawn for practice.

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