Využití výpočetní geometrie pro modelování a vizualizaci proteinů

Mgr. Martin MAŇÁK

Doctoral thesis

Application of Computational Geometry to Modeling and Visualization of Proteins

Abstract:

Modeling and visualization of protein models help domain experts to better understand the function of these bio-molecules. The geometric model is just a collection of partially overlapping spheres representing individual atoms. The inspection of this model with a spherical collision-avoiding probe may reveal cavities among atoms. The evaluation of such cavities may show the spots of bio-chemical activity. Spatial-subdivision concepts from the field of computational geometry, in particular various kinds of Voronoi diagrams, are often used in the spatial analysis of these models. This thesis is focused on additively weighted Voronoi diagrams and their application to protein models because these diagrams provide complete information for the navigation of a collision-avoiding probe among protein atoms. An acceleration technique for a fast construction of these diagrams is presented. These diagrams may suffer by disconnected cases, which occur when the one-dimensional skeleton of Voronoi edges consists of several components. A newly proposed extension of the diagram construction algorithm guarantees the construction of all components by the algorithm. This extension improves the reliability of the construction algorithm and makes it applicable to general input data. A practical approach for interactive detection of cavities for probes of any size is presented. This approach combines the additively weighted Voronoi diagram for a fast detection of cavities with GPU ray casting to achieve fast rendering of their surfaces when the probe radius is changed. The implementation of these methods in the software tool CAVER Analyst make them available to the world-wide community of bio-chemists.

Abstract:

Modelování a vizualizace modelů proteinů pomáhá expertům lépe porozumět funkci těchto bio-molekul. Geometrický model je tvořen několika sférami reprezentujícími jednotlivé atomy. Zkoumání tohoto modelu pomocí sférické sondy, která se vyhýbá kolizím s atomy, může odhalit dutiny mezi atomy. Vyhodnocování takových dutin pak může ukázat místa bio-chemické aktivity. Koncepty dělení prostoru z oblasti výpočetní geometrie, zejména různé druhy Voronoi diagramů, jsou často používány k prostorové analýze těchto modelů. Tato disertační práce je zaměřena na aditivně vážené Voronoi diagramy a jejich aplikaci na modely proteinů, protože tyto diagramy poskytují kompletní informaci k navigaci nekolizní sondy mezi atomy proteinu. Je zde prezentována urychlovací technika pro rychlou konstrukci těchto diagramů. Tyto diagramy mohou být postiženy nespojitostmi, které nastávají, když jednodimenzionální kostra Voronoi hran je tvořena několika komponentami. Nově navržené rozšíření algoritmu konstrukce diagramu garantuje konstrukci všech komponent. Toto rozšíření zlepšuje důvěryhodnost konstrukčního algoritmu a dělá ho aplikovatelným na obecnější vstupní data. Dále je prezentrována praktická metoda pro interaktivní detekci a zobrazení dutin detekovaných jakoukoliv sondou. Tato metoda kombinuje aditivně vážený Voronoi diagram pro rychlou detekci dutin s GPU metodou vrhání paprsku pro rychlé stínování povrchu dutin vždy když je změněn poloměr sondy. Díky implementaci těchto metod v softwarovém nástroji CAVER Analyst jsou tyto metody dostupné celosvětové komunitě bio-chemiků.

Keywords

proteiny, povrchy, dutiny, Voronoi, diagramy, aditivní váhy, prostorová analýza, výpočetní geometrie, počítačová grafika

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 8. 2016

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Computer Science and Engineering / Computer Science and Engineering