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Wenn auf dem Foto oben der Westwind Zephyr und in seinen Armen die Morgenbrise Aura nicht Venus an die Gestaden Zyperns treibt, sondern stattdessen den Geburtstagskuchen ausbläst , dann ist sein Atem das, was in der Strömungsmechanik als „laminare Strömung“ bezeichnet wird. Eine Strömung, deren Stromlinien parallel zueinander verlaufen und deren Einzelelemente, hier die Luftmoleküle, einen gleichgerichteten Weg verfolgen. „Turbulent“ ist hingegen der von den Kerzen aufsteigende Rauch über dem Kuchen, der „Richtung Osten“ hinweggeblasen wird. Diese Turbulenz von Flüssigkeiten und Gasen ist allgegenwärtig in unserer Welt, ob für unser Auge direkt sichtbar oder unsichtbar: die Luft, die tief in unsere Lunge eingesogen wird bis hin zu den Lungenbläschen, die Spuren der Milch beim Umrühren in einer Kaffeetasse, der Rauch, der von einem Schornstein aufsteigt, das Wasser rund um die großen und kleinen Kiesel in einem Bach, der Wind, der den Kirchturm und die Hausecke umwirbelt, das heiße Plasma, das in Feuerfackeln von der Sonnenoberfläche ins Weltall hinauslodert, oder die großen Wolken kosmischen Staubs, die sich in Strudeln und Wirbeln zu Galaxien oder Sternen verdichten. „Turbulent“ ist also eine Strömung, deren Stromlinien sich zu überkreuzen scheinen und deren Einzelelemente keinen gleichgerichteten Weg verfolgen. Stattdessen existieren vielfältigste Formen und Muster von miteinander verschränkten Wirbeln auf allen Größenskalen. Aufgrund dieser Komplexität in Formen und Skalen gehört die Beschreibung und Vorhersage von Turbulenz schon seit Jahrhunderten zu den großen Rätseln in Physik und Mathematik. Da turbulente Strömungen gleichwohl derart zentral sind für viele Bereiche menschlichen Lebens und Handelns, werden Grundlagen- und Anwendungsforschung mit Nachdruck vorangetrieben. Die vorliegende Arbeit umfaßt gleich drei Anwendungsfälle von Turbulenzforschung, und es darf als bezeichnend für die Allgegenwart der Turbulenz angesehen werden, daß sich diese drei Anwendungen in solch unterschiedlichen Größenskalen abspielen. Die Windabkühlung von Rindern, die bis in den Sub-Millimeter-Maßstab im Bereich von Fell und Hautoberfläche hinein betrachtet werden muß, die Sturmge-fährdung von Wäldern, für die Größen zwischen einem halben Meter an den Bäumen und mehreren Kilometern in der Landschaft relevant sind, und zu guter Letzt das turbulente Geschehen in kos-mischen Gaswolken und Galaxienhaufen, das sich im Größenbereich von vielen Millionen Lichtjahren abspielt. Nicht nur in den Techniken der Modellierung, sondern auch in der physikalischen Wirklich-keit sind diese Phänomene trotz der gewaltigen Größenunterschiede eng verwandt. In diesem Sinne: vom Kosmos zur Kuh.

Multiple Sequenzalignments (MSAs) von homologen Proteinen sind nützliche Werkzeuge, um kompensatorische Mutationen zwischen nicht-konservierten Residuen zu charakterisieren. Die Identifizierung dieser Residuen in MSAs ist eine wichtige Aufgabe um die strukturellen Grundlagen und molekularen Mechanismen von Proteinfunktionen besser zu verstehen. Trotz der vielen Anzahl an Literatur über kompensatorische Mutationen sowie über die Sequenzkonservierungsanalyse für die Erkennung von wichtigen Residuen, haben vorherige Methoden meistens die biochemischen Eigenschaften von Aminosäuren nicht mit in Betracht gezogen, welche allerdings entscheidend für die Erkennung von kompensatorischen Mutationssignalen sein können. Jedoch werden kompensatorische Mutationssignale in MSAs oft durch das Rauschen verfälscht. Aus diesem Grund besteht ein weiteres Problem der Bioinformatik in der Trennung signifikanter Signale vom phylogenetischen Rauschen und beziehungslosen Paarsignalen. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin Methoden zu entwickeln, welche biochemische Eigenschaften wie Ähnlichkeiten und Unähnlichkeiten von Aminosäuren in der Identifizierung von kompensatorischen Mutationen integriert und sich mit dem Rauschen auseinandersetzt. Deshalb entwickeln wir unterschiedliche Methoden basierend auf klassischer- und quantum Informationstheorie sowie multiple Testverfahren. Unsere erste Methode basiert auf der klassischen Informationstheorie. Diese Methode betrachtet hauptsächlich BLOSUM62-unähnliche Paare von Aminosäuren als ein Modell von kompensatorischen Mutationen und integriert sie in die Identifizierung von wichtigen Residuen. Um diese Methode zu ergänzen, entwickeln wir unsere zweite Methode unter Verwendung der Grundlagen von quantum Informationstheorie. Diese neue Methode unterscheidet sich von der ersten Methode durch gleichzeitige Modellierung ähnlicher und unähnlicher Signale in der kompensatorischen Mutationsanalyse. Des Weiteren, um signifikante Signale vom Rauschen zu trennen, entwickeln wir ein MSA-spezifisch statistisches Modell in Bezug auf multiple Testverfahren. Wir wenden unsere Methode für zwei menschliche Proteine an, nämlich epidermal growth factor receptor (EGFR) und glucokinase (GCK). Die Ergebnisse zeigen, dass das MSA-spezifisch statistische Modell die signifikanten Signale vom phylogenetischen Rauschen und von beziehungslosen Paarsignalen trennen kann. Nur unter Berücksichtigung BLOSUM62-unähnlicher Paare von Aminosäuren identifiziert die erste Methode erfolgreich die krankheits-assoziierten wichtigen Residuen der beiden Proteine. Im Gegensatz dazu, durch die gleichzeitige Modellierung ähnlicher und unähnlicher Signale von Aminosäurepaare ist die zweite Methode sensibler für die Identifizierung von katalytischen und allosterischen Residuen.

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