2D and 3D Visualization of Macromolecular Structures

Mgr. Filip Opálený

Advanced ('rigorózní') thesis

Abstract:

Pri snahe pochopiť funkcie biologických makromolekúl používajú výskumníci v tejto oblasti rôzne biochemické protokoly, výpočtové nástroje a simulácie. Tieto metódy produkujú čoraz väčšie množstvo dát, ktorých interpretácia bez vizualizácií už nie je pre človeka možná. Táto práca sa zameriava na 2D a 3D reprezentácie týchto štruktúr a na to, ako možno tieto reprezentácie navzájom prepojiť. Tieto vizualizácie ma zaujímajú najmä v kontexte dvoch špecifických aplikácií: štepenie proteínových slučiek a analýza chromatínového vlákna. Pre obe tieto aplikácie analyzujem najmodernejšie metódy a porovnávam ich silné a slabé stránky. V práci sú prezentované a diskutované moje prínosy v oblasti makromolekulárnych vizualizácií. Jedným z prínosov je moja práca na aplikácii LoopGrafter a v nej implementovaných vizualizáciách, ktoré spájajú viaceré druhy zobrazení na analýzu údajov relevantných pre štepenie proteínových slučiek. Druhým je nástroj ChromoSkein, určený na skúmanie trojrozmerných genomických dát v 3D a 2D reprezentáciách. Na záver je zhrnutá vízia môjho budúceho výskumného smeru.

Abstract:

While trying to understand the functions of biological macromolecules, domain researchers use various biochemical protocols, computational tools, and simulations. These methods produce a growing amount of data that is no longer feasible for humans to interpret without visualizations. This thesis focuses on abstract 2D and realistic 3D representations of these structures and how these representations can be linked together. I am especially interested in these visualizations in the context of two distinct applications: novel advancments in protein loop grafting and analysis of the chromatin strand. For both of these applications, I analyze the state-of-the-art methods and compare their strengths and weaknesses. My contributions in the area of macromolecular visualizations are presented and discussed. One contribution is my work on the application LoopGrafter and visualizations implemented within - bringing together multiple views for analysis of data relevant for protein loop grafting. The other is the tool ChromoSkein, designed to explore three-dimensional genomic datasets in 3D and 2D representations. Finally, the vision of my future research direction is summarized.

Keywords

visualization, protein, chromatin, 3D

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 9. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 18. 1. 2023
• Reader: Assoc. Prof. María Luján Ganuza, Prof. Sean O'Donoghue

Masaryk University

Faculty of Informatics

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Visual informatics / Visual informatics