Helmholtz Open Science Workshop „Elektronische Laborbücher“

Braunschweig, 13.-14. September 2018

Abstracts

Caterina Barillari, Juan M. Fuentes-Serna & Bernd Rinn, ETH Zürich: openBIS – an open resource for academic laboratories

Nowadays funding agencies, journals and academic institutions increasingly require research data to be published according to the FAIR data principles.1 This can only be achieved if data are correctly documented and stored throughout the lifetime of a project. The use of a combined Electronic Laboratory Notebook (ELN) with a data management platform and a Laboratory Information Management System (LIMS) for samples and protocols management, allows scientists to keep track of the complete history of the work performed in the lab, a pre-requisite to achieve data FAIRness. The Scientific IT Services of ETH Zurich develop such open-source platform, openBIS,2,3 specifically tailored to academic research laboratories.

openBIS is a web-based application that comes with a default configuration suitable for most biological labs. This can be easily modified and tailored to the needs of each single lab. Relationships between all entities in the database ensure full history tracking. The storage manager allows tracking of biological and chemical samples. Data can be uploaded manually or automatically, directly from measuring devices.

For data analysis, openBIS is integrated with the Jupyter notebooks, which are documents that combine code, equations, output and text. Furthermore, openBIS has several APIs that allow integration with workflow managers, such as Snakemake and KNIME, for distributed data analysis. With the BigDataLink module, openBIS can be used as metadata repository for existing large datasets (hundreds of TBs to PBs) that cannot be moved conveniently to the openBIS-managed storage.

In summary, openBIS is an open and flexible platform for managing the ever increasing amount of data generated in academic scientific labs.

References

  1. Wilkinson, M.D. et al. 2016: The FAIR Guiding Principles for scientific data management and stewardship. Scientific Data 3: 160018. https://doi.org/10.1038/sdata.2016.18
  2. Barillari, C. et al. 2016: openBIS ELN-LIMS: an open-source database for academic laboratories. Bioinformatics 32: 638–640. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btv606
  3. Bauch, A. et al. 2011: openBIS: a flexible framework for managing and analyzing complex data in biology research. BMC Bioinformatics 12: 468. https://doi.org/10.1186/1471-2105-12-468

Torsten Bronger, FZJ: JuliaBase – Framework für Proben-basierte elektronische Laborbücher

JuliaBase ist ein in Python + Django geschriebenes Framework zur Entwicklung von Browser-basierten Probendatenbanken und ELN-Lösungen. Hauptanwendungsgebiet sind Arbeitsgruppen und Institute mit Workflows, bei denen Proben eine Vielzahl von Prozess- und Charakterisierungstationen durchlaufen. Im Kern stellt JuliaBase die Proben-Chronik in Form eines Probendatenblatts zusammen. Im ELN-Bereich positioniert sich JuliaBase eindeutig bei den hochgradig anpassbaren Lösungen inklusive Visualisierung und Analyse. Das erfordert dann allerdings eigene Programmierarbeit.

Ulrich Dirnagl, Abt. für Experimentelle Neurologie, Charite Universitätsmedizin Berlin / QUEST Center for Transforming Biomedical Research, Berlin Institute of Health: Nie wieder ohne – das elektronische Laborbuch aus der Sicht eines Neurowissenschaftlers

Aus der Sicht eines Wissenschaftlers und Leiters einer universitären, neurowissenschaftlichen Forschungsabteilung möchte ich in meinem Vortrag aufgrund mehrjähriger theoretischer Auseinandersetzung, praktischer Erfahrung und Begleitforschung zu und mit elektronischen Laborbüchern folgende vier Thesen begründen:

  1. Das Papier-Laborbuch ist ein Atavismus und gehört eingemottet.
  2. Das elektronische Laborbuch (eLN) kann viel mehr als ein Papierlaborbuch.
  3. eLNs sollten Teil der guten wissenschaftlichen Praxis (GWP) werden.
  4. Die Voraussetzungen dafür müssen von den Institutionen im Rahmen der Grundausstattung geschaffen werden (IT, Lizenzgebühren etc.).

Tobias Duden, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB): Das beweissichere elektronische Laborbuch (BeLab) in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB)

Das beweissichere elektronische Laborbuch (BeLab) in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ist eine prototypische Umsetzung des erfolgreich abgeschlossenen DFG-Projekts BeLab. Der Vortrag geht auf rechtliche und funktionale Grundlagen des BeLab ein und stellt dar, worauf es bei der Beweiswerterhaltung von Dokumenten im Rahmen der Langzeitspeicherung ankommt. Im weiteren wird die prototypische Umsetzung in der PTB erläutert.

Jede Institution, die elektronische Dokumente dauerhaft aufbewahren und dabei deren Beweiswert erhalten muss, sollte sich mit dem vorgestellten Thema beschäftigt haben.

Florian Hauer, Labfolder GmbH: Digital in die Zukunft – elektronische Laborbücher als zentraler Bestandteil des Forschungsdatenmanagements

Sowohl die Anforderungen als auch die Möglichkeiten des digitalen Forschungsdatenmanagements ändern sich aktuell mit großer Geschwindigkeit. Aus der Entwicklung einer Plattform für das Labordatenmanagement möchten wir folgende Aspekte beleuchten:

  1. Elektronische Laborbücher im Kontext des Forschungsdatenmanagements: Möglichkeiten und Herausforderungen
  2. Rechtliche Rahmenbedingungen & Compliance
  3. Trends und Entwicklungen: ein Blick in die Zukunft

Tim Henckel, HZB: Elektronisches Laborbuch am Kompetenzzentrum Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik Berlin (PVcomB) – Flexibilität vs. Performanz

Das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie erforscht komplexe Materialsysteme an verschiedenen Standorten, dazu gehört auch das Kompetenzzentrum Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik Berlin (PVcomB). Am PVcomB werden verschiedene Solarzellentechnologien entwickelt. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf zwei Dünnschicht-Technologien zur Herstellung von Solarzellen, die sogenannte CIGS-Technologie und die Silizium-Photovoltaik.

Während der Herstellung und der anschließenden Analytik von Solarzellen fallen etliche Daten an, wie zum Beispiel Anlagenparameter oder Kennlinien. Zur Dokumentation und Archivierung der Prozessierung und der Messdaten nutzt das PVcomB zum einen ein vom HZB entwickeltes elektronisches Laborbuch, zum anderen ein vom PVcomB selbst entwickeltes Datawarehouse-System.

Das elektronische Laborbuch ist auf Flexibilität ausgelegt und ermöglicht eine schnelle und einfache Anpassung der zu speichernden Meta- und Messdaten. Durch diese Flexibilität und der dafür benötigten Datenbankstruktur ist es nur mit viel Aufwand möglich, Daten über einen langen Zeitraum abzufragen. Deshalb betreibt das PVcomB ein Datawarehouse, welches auf Performance ausgelegt ist, um viele Daten über einen großen Zeitraum performant abzufragen.

Da die Daten zwischen den beiden Systemen konsistent gehalten werden müssen, ist eine weitere Schicht („ETL“ - Extract, Transform, Load) vonnöten. Diese ETL-Schicht kopiert tagesaktuelle Daten aus dem elektronischen Laborbuch in das Datawarehouse.

Des Weiteren werde ich einen Einblick in das Nutzerverhalten geben und auf die Vor- und Nachteile, sowie eventuelle Probleme bei der Nutzung eines elektronischen Laborbuchs am PVcomB eingehen.

Nicole Jung, KIT: Chemotion ELN – Basis-Funktionen und besondere Anwendungen

Chemotion ELN ist ein elektronisches Laborbuch (ELN) für Forscher aus dem Bereich der Chemie und angrenzenden Forschungsbereichen, das von Wissenschaftlern für Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt wird. Das webbasierte ELN ist als Open Source verfügbar und bietet moderne Technologien für diejenigen Chemiker, die mit den derzeit verfügbaren Systemen nicht zufrieden sind und flexible Lösungen für die Zukunft suchen. Das Chemotion-ELN bietet grundlegenden Funktionen, die für die Erfassung und Verarbeitung der chemischen Forschung notwendig sind, insbesondere die Arbeit mit molekularen Strukturen und Berechnungen basierend auf molekularen Eigenschaften. Das ELN unterstützt die Planung, Beschreibung, Speicherung und Steuerung der Routinearbeit insbesondere von Organikern und wurde um Funktionen zur Kommunikation und zum Austausch von Forschungsdaten mit Kollegen erweitert. Entsprechend der Notwendigkeit einer modernen Forschungsinfrastruktur ermöglicht das ELN die Suche nach Molekülen und Reaktionen nicht nur innerhalb der Datenbank des Benutzers, sondern auch in gängigen externen Quellen wie SciFinder und PubChem. Das Chemotion ELN unterscheidet sich von ähnlichen Systemen durch die Implementierung von besonderen Anwendungen, die speziell auf die Arbeit von Wissenschaftlern in Universitäten ausgerichtet sind. Hierzu zählt die Reporting-Funktion, welche die Erstellung von formatierten Berichten oder auch einer Supporting Information für Publikationen erlaubt. Eine weitere Funktion erlaubt es, erhaltene Daten auf Wunsch direkt in ein Repositorium für Forschungsdaten zu transferieren, um die erhaltenen Informationen zugänglich zu machen. Das ELN soll insbesondere durch diese Funktion den stetig wachsenden Anforderungen an ein gutes Forschungsdatenmanagement gerecht werden und die Forscher bestmöglich unterstützen.

Harald Kusch, Georg-August-Universität Göttingen: Pilot-Integration eines elektronischen Laborbuchs und eines Open-Source-Forschungsdaten-Repositories als Bestandteil einer modularen biomedizinischen Forschungsdatenplattform

In den biomedizinischen Sonderforschungsbereichen (SFB) 1002 („Modulierende Einheiten bei Herzinsuffizienz“) und 1190 („Kompartiment- und Kontaktstellen in Zellen“), koordiniert durch die Universitätsmedizin Göttingen, wird die Organisation von Forschungsdaten durch eine integrierte und langfristig zugängliche Forschungsdatenplattform unterstützt (RDP). Als zentrales RDP-Modul haben wir vor einiger Zeit ein Elektronisches Laborbuch (ELN) implementiert, um eine strukturierte Vernetzung der großen Heterogenität digitaler biomedizinischer Forschungsdaten mit der primären experimentellen Dokumentation „am Arbeitsplatz“ zu ermöglichen. Das ausgewählte kommerzielle ELN „RSpace“ ist konzipiert als ein kooperatives und konnektives Werkzeug mit Schnittstellen zu einer Vielzahl von vorhandenen Forschungsdaten-Repositorien. Um die Vorteile einer einfach zu handhabenden Integration des ELN und eines Open-Source-Forschungsdaten-Repositories zu demonstrieren, hat die Göttinger eResearch Alliance eine Pilot-Implementierung von „Dataverse“, unterstützt vom Entwicklerteam der Harvard University, durchgeführt.

ELN und das Repository spielen komplementäre und sich gegenseitig verstärkende Rollen bei der langfristigen und nachhaltigen Datenhaltung. Das ELN bietet Forschern eine einfach zu bedienende, praktische Plattform zum Erfassen und Beschreiben der täglichen Arbeit und der dabei erzeugten Forschungsdaten sowie deren Verknüpfung, wenn sie auf zentralen Labor- und institutionellen Servern gespeichert sind. Die Zentralisierung von Forschungsdaten im ELN reduziert die Menge an unnötigen Medienunterbrechungen und vereinfacht dadurch die Datenverfügbarkeit, für den Transfer in Open-Source-Repositorien (z. B. „Dataverse“). Sobald die Forschungsdaten in Dataverse registriert sind, stehen sie für eine gemeinsame Untersuchung und Abfrage im Sinne der FAIR-Prinzipien zur Verfügung. Die einfach zu bedienende ELN-Repository-Schnittstelle erleichtert diesen Prozess und ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Forschungsdaten zwischen Forschungseinrichtungen und unabhängig von Lizenzverfügbarkeiten für ein bestimmtes ELN-Produkt.

Alexander Minges, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf: eLabFTW – das freie elektronische Laborjournal

eLabFTW ist eine freie und offene Software zur elektronischen Verwaltung und Dokumentation experimenteller Arbeiten. Weiterhin ist eine Datenbankfunktionalität implementiert, welche die Organisation unterschiedlichster Informationen wie z. B. Versuchsvorschriften vereinfacht. Durch seinen flexiblen Aufbau ist eLabFTW in praktisch allen experimentell arbeitenden Laboren einsetzbar und kann dort mit sehr geringem Aufwand auch auf eigener Hardware in Betrieb genommen werden. Zusätzlich ist die Eingliederung an zentrale Infrastrukturen, beispielsweise zur Benutzerverwaltung möglich. Über eine umfangreiche Programmierschnittstelle (API) kann weiterhin eine Anbindung an externe Programme erfolgen, worüber beispielsweise eine automatisierte Dokumentation von Messergebnissen realisiert werden kann.

Ralf Oeser, Jutta Schlegel & Friedhelm von Blanckenburg, GFZ: MEDUSA – über die Entdeckung einer griechischen Sagengestalt in Japan und deren Weiterentwicklung am Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam

Im Zeitalter von Big Data, in denen immer mehr (geochemische) Daten generiert werden und die interdisziplinäre Nutzung dieser Daten für Wissenschaftler immer mehr zur Voraussetzung wird, wird der Bedarf an einer leicht zugänglichen Datenbasis immer deutlicherer. Obwohl kommerzielle Datenbanken existieren, erfüllen sie oft nicht die speziellen Anforderungen großer wissenschaftlicher Arbeitsgruppen. Im Jahr 2012 hat eine japanische Gruppe von der Okayama University unter Yachi et al. die Open-Source-Datenbank Medusa entwickelt, um die Nachteile kommerzieller und geschlossener Datenbanken zu überwinden.

Medusa ist eine Mischung aus einem elektronischen Labor-Notizbuch (ELN) und einem Labor-Informations-Management-System (LIMS), das alle Metadaten und Analyseergebnisse einer Probe speichert. So ist es in der Lage die Wege einer Probe von der Probennahme im Feld, über die Aufbereitung im Labor, bis hin zur anschließenden Analyse und Lagerung zurückzuverfolgen. Darüber hinaus bietet Medusa die Möglichkeit, Publikationen, Abbildungen und viele andere Arten von Daten mit den Proben zu verknüpfen, was die Kommunikation und den Datenaustausch in kollaborativen Projekten vereinfacht.

Ab 2015 wurde der Quellcode der japanischen Gruppe am GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) erweitert, um den unterschiedlichen Anforderungen verschiedenster wissenschaftlicher Bereiche (i.e. Biologie, Geomorphologie, Geochemie, Geologie, Geophysik und Bodenkunde) gerecht zu werden und den Datenaustausch im Rahmen des EarthShape Projekts (DFG-SPP 1803) zu ermöglichen. Heute ist Medusa in der Lage, Daten über CSV-Dateien zu importieren und zu exportieren, IGSNs zu generieren und zu veröffentlichen und die Beprobungsstandorte in einer interaktiven Karte zu visualisieren. Darüber hinaus wird die Datensicherheit und der Zugriff durch die Implementierung eines intelligenten Gruppenmanagements gewährleistet. In diesem Vortrag werden wir Erfolge und Herausforderungen von fast 3 Jahren Medusa Entwicklung und Benutzererfahrung präsentieren und einen Einblick vor und hinter die Kulissen gewähren.

Heiko Rosenfelder, DKFZ: Einführung und Betrieb eines elektronischen Laborbuchs im DKFZ

„Gute wissenschaftliche Praxis“ sind Stichworte welche immer wieder dafür sorgen, dass Organisation, Abläufe, Dokumentationen immer wieder auf den Prüfstand gestellt werden. Technischer und organisatorischer Fortschritt sorgen immer wieder für Änderungen bei den Abläufen in der täglichen Arbeit im Labor oder bei den Verfahren der Dokumentation. Unter anderem stießen einige Wissenschaftler und technische Mitarbeiter immer wieder an Grenzen, wenn es darum ging elektronische Dokumentationen oder Ergebnisse im klassischen Laborbuch zu notieren. Diese Medienbrüche aber auch die immer größer werdende Menge an Daten lieferten die Motivation ein elektronisches Laborbuch am DKFZ einzuführen.

Im Vortrag werden die Kriterien zur Auswahl des Produktes, die Vorbereitung mit einem Proof of Concept, sowie verschiedene organisatorische Rahmenbedingungen wie Datenschutz und Dienstvereinbarungen betrachtet.

Heiko Rosenfelder, DKFZ: iLabber – organisatorische und technische Einführung

„Gute wissenschaftliche Praxis“ sind Stichworte welche immer wieder dafür sorgen, dass Organisation, Abläufe, Dokumentationen immer wieder auf den Prüfstand gestellt werden. Technischer und organisatorischer Fortschritt sorgen immer wieder für Änderungen bei den Abläufen in der täglichen Arbeit im Labor oder bei den Verfahren der Dokumentation. Unter anderem stießen einige Wissenschaftler und technische Mitarbeiter immer wieder an Grenzen, wenn es darum ging elektronische Dokumentationen oder Ergebnisse im klassischen Laborbuch zu notieren. Diese Medienbrüche aber auch die immer größer werdende Menge an Daten lieferten die Motivation ein elektronisches Laborbuch am DKFZ einzuführen.

Im Vortrag geht es um die Umsetzung und Integration in das technische Umfeld der IT, sowie um organisatorische Abläufe und Strukturen für den laufenden Betrieb in den Abteilungen und Gruppe in den Laboren, sowie die entsprechenden Erfahrungen.

Marlis Zeitler & Claire Wallace, Dotmatics Ltd: The use of an ELN to accelerate efficiency in research

Dotmatics is one of the leaders in scientific informatics solutions. Our ELN (Electronic Lab Notebook) is a web-based application for Chemists and Biologists with flexible templating to capture, store and search experiments from all scientific disciplines.

It allows to:

  • Manage the creation of your experimental data as well as handling analytical, formulations and synthesis experiments
  • Implement a fully audited digital signature process to support compliance across the organization
  • Save time due to cloning of experiments with standardized templates
  • Have consistency in data capturing
  • Track in real time the experimental data across groups

We will give an overview of our ELN along with additional related functionalities such as registration of chemical and biological entities, an idea of inventory, searching across all scientific database as well as generating reports with one button click. This simple integrated workflow provided by the Dotmatics suite allows scientists to work more efficiently and to share data across different teams and organizations in the context of collaborations.