Softwarový nástroj pro automatický návrh mutací a chytrých knihoven pro proteinové inženýrství

Bc. Jan Štourač

Master's thesis

Software tool for automated design of mutations and smart libraries for protein engineering

Abstract:

HotSpot Wizard je interaktivní webový portál určený pro identifikaci aminokyselinových reziduí (tzv. hot spotů) vhodných pro mutagenezi za účelem zlepšení katalytických vlastností nebo termostability proteinů. Tyto pozice jsou vytipovány na základě kombinace strukturních, funkčních a evolučních informací získaných ze tří bioinformatických databází a 18 výpočetních nástrojů. Nástroj HotSpot Wizard je určen především uživatelům bez větších bioinformatických zkušeností, a proto byl kladen velký důraz na jeho snadné používání i bez nutnosti detailních informací o studovaném systému. Pro zaručení široké použitelnosti a robustnosti byly všechny výchozí hodnoty parametrů zvoleny na základě rozsáhlých bionformatických analýz, což by mělo minimalizovat případy vyžadující jejich modifikaci. Výsledky pro každou proteinovou strukturu je možné analyzovat s využitím čtyř zavedených strategií proteinového inženýrství: (i) identifikace evolučně variabilních reziduí umístěných v relevantních přístupových tunelech či katalytických kapsách s vysokou pravděpodobností ovlivnění katalytických vlastností, (ii) detekce vysoce flexibilních regionů, jejichž rigidifikací je možné zvýšit termostabilitu, (iii) identifikace pozic s dominujícím evolučním výskytem jiné aminokyseliny, jejíž zpětná mutace může protein stabilizovat a (iv) identifikace vzájemně evolučně korelovaných reziduí. Vybrané hot spoty lze dále využít pro návrh chytrých knihoven pro experimentální charakterizaci s podporou automatického výběru vhodných aminokyselin a degenerovaných kodonů. Nástroj je volně dostupný všem nekomerčním uživatelům na adrese http://loschmidt.chemi.muni.cz/hotspotwizard.

Abstract:

HotSpot Wizard is an interactive web portal designed for identification of amino acid residues (hot spots) suitable for mutagenesis aiming to improve catalytic properties or thermostability of a protein. Such positions are selected based on combination of structural, functional and evolutionary information gathered from 3 bioinformatical databases and 18 computational tools. HotSpot Wizard is designed mainly for users without prior knowledge of bioinformatics and without deep undestanding of studied system. To provide wide usability and robustness, all default values of input parameters were selected based on extensive bioinformatics analyses. Every protein structure can be analyzed using four widely used protein engineering strategies: (i) identification of evolutionary variable residues located nearby access tunnels or catalytic pockets with high probability of modifying catalytic properties, (ii) detection of highly flexible regions for rigidification in order to increase protein thermostability, (iii) identification of positions with dominating evoluationary occurence of different amino acid whose reverse-mutating can increase stability and (iv) identification of evolutionary correlated residue pairs. Selected hot spots can be used directly to design a smart library for experimental characterization. The tool automatically suggests suitable amino acids and degenerated codons. Web server is freely available for acedemical users at: http://loschmidt.chemi.muni.cz/hotspotwizard.

Keywords

protein, enzym, mutace, proteinové inženýrství, hot spot, HotSpot Wizard, chytrá knihovna, výpočetní mutageneze, semi-racionální design

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 5. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 23. 6. 2017
• Supervisor: Mgr. Jan Brezovský, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Barbora Kozlíková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Master programme / field:
Applied Informatics / Bioinformatics