Detekce tunelů v proteinových strukturách metodami plánování pohybu

Abstract

Studium proteinů je hlavní oblastí výzkumu molekulární biologie. Jelikož je struktura a funkce proteinů těsně svázaná, získání informací o jejich prostorové konfiguraci patří mezi hlavní cíle jejich zkoumání. V minulosti se již podařilo získat velké množství struktur různých proteinů a volný přístup k těmto informacím nabízí velký potenciál pro teoretické výpočty strukturní bioinformatiky. Jednou z velmi zajímavých oblastí je i hledání tunelů ve strukturách proteinů. Vytvoření spolehlivých algoritmů detekce tunelů ve strukturách proteinů a simulace průchodu chemických látek těmito tunely může značně urychlit a zefektivnit výzkum v oblasti molekulární biologie, a proto se těmto metodám věnuje mnoho výzkumných skupin po celém světě. Plánování cest patří mezi dobře prozkoumané oblasti kybernetiky a robotiky, kde se používá k návrhu možných cest robotů ve stavovém prostoru. Pokud stavový prostor tvoří struktura proteinu a místo robota použijeme sondu definované velikosti, můžeme algoritmy plánování cest převést z robotické do biologické domény. V rámci této diplomové práce byly implementovány algoritmy známé z plánování cest robotů tak, aby nalezly tunely ve statických i dynamických proteinových strukturách. Dále pak byla navržena a implementována metoda pro simulaci průchodu molekul nalezenými tunely.

Study of proteins is a major area of molecular biology research. Since the structure and function of proteins are tightly bound, obtaining information about their spatial configuration is one of the main goals of their research. In the past, a large number of different protein structures has been obtained and free access to this information offers a great potential for calculations in structural bioinformatics. One of the most interesting areas is the detection of tunnels in protein structures. Development of reliable algorithms, which detect tunnels in protein structures, and simulation of the passage of chemicals through these tunnels can greatly accelerate research in the field of molecular biology and so, many research groups are devoted to these methods all around the world. Motion planning is a well--known area of cybernetics and robotics, where it is used to design robot paths in state space. If the state space is formed by the structure of protein and instead of the robot we use a probe of a defined size, we can transfer the motion planning algorithms from the robotic to the biological domain. Within this diploma thesis, algorithms known from the motion planning of robots were modified for the task of tunnel detection in both static and dynamic protein structures. Furthermore, a method for geometrical analysis of the passage of molecules through tunnels was proposed and implemented.