Bioinformatics tools for the analysis of macromolecular structures

RNDr. Antonín Pavelka, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Bioinformatické nástroje pro analýzu makromolekulárních struktur Počítačová analýza biopolymerů a predikce jejich vlastností jsou důležité pro při jejich výzkumu a biotechnologickém využití. Tato dizertační práce popisuje nové algoritmy a metody pro analýzu struktury a funkce biopolymerů. Volné prostory uvnitř makromolekulárních struktur často mají důležitou funkci, jako vázat malé molekuly nebo sloužit k jejich transportu do nebo z vazebného místa. Byla vytvořena nová metoda pro analýzu transportních cest v makromolekulách. Identifikace cest je založena na Voroného diagramu. Dále bylo použito shlukování pro nalezení sobě odpovídajících cest nalezených v různých strukturách, což umožňuje zkoumat vývoj jejich vlastností v čase. Pro analýzu velkých množství struktur byla vyvinuta nová aproximace aglomerativního shlukování metodou průměrné vzdálenosti. Dále byly vyvinuty algoritmy algoritmy pro měření objemu malého omezeného prostoru v dynamických strukturách. Analýza volných prostorů s funkčním významem byla také použita v plně automatizované výpočetní metodě pro identifikaci pozic v enzymu jejichž mutace se zvýšenou pravděpodobností povede ke vzniku enzymu nových vlastností. Na základě těchto metod byly vyvinuty softwarové nástroje CAVER 3.0, CAVER Analyst a HotSpot Wizard. Nástroje jsou volně ke stažení. Jsou hojně využívány a jim odpovídající metodické publikace byly citovány více než 140×.

Abstract:

Bioinformatics tools for the analysis of macromolecular structures Computational analysis of biological macromolecules and prediction of their properties are important both for their research and biotechnological applications. This thesis is about the novel algorithms and methods for the analysis of structure and function of biological macromolecules. Voids within macromolecular structure often play essential functional roles, such as the binding of smaller molecules or their transport into or from the binding site. A novel method for the analysis of transport pathways in macromolecules was created. The identification of the pathways is based on Voronoi diagram. Clustering was used to find the correspondence between the pathways from different structures, thus allowing to study the dynamic behaviour of the pathways. Novel approximations of average link agglomerative clustering were developed to allow the analysis of large number of structures. Furthermore, algorithms for the measurement of the volume of a small constrained empty space in the ensemble of macromolecular structures were created. The analysis of functional voids was also used in a fully automated computational method for the discovery of the sites in an enzyme whose mutation will likely lead to the development of the enzyme with novel properties. A software tools CAVER 3.0, CAVER Analyst and HotSpot Wizard based on these methods were developed and made freely available to the bioscience community. The tools are widely used and the publications associated with them were together cited more than 140 times.

Keywords

protein, tunnel, Voronoi diagram, average linkage clustering, evolutionary conservation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 10. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 10. 2. 2016
• Supervisor: prof. Ing. Jiří Sochor, CSc.
• Reader: doc. Mgr. Daniel Svozil, Ph.D., Dr. Daniel Baum

Masaryk University

Faculty of Informatics

Doctoral programme / field:
Informatics (4-years) / Computer Systems and Technologies