Analysis and Visualization of Protein Structures

RNDr. Jan Byška, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Proteiny hrají důležitou roli téměř ve všech biologických procesech uvnitř žijících organizmů. Detailní porozumění jejich funkci, včetně studování jejich geometrie, fyzikálně-chemických vlastností a dynamiky je tak základním výzkumným tématem v mnoha oborech. Získané znalosti mohou být použity k vytvoření nových chemických sloučenin, jako jsou například léčiva. Ve vývoji léčiv je třeba najít správnou kombinaci proteinu a malé molekuly (ligandu), která povede k vzájemné chemické reakci měnící požadovaným způsobem vlastnosti ligandu. Laboratorní experimenty jsou však velmi nákladné a časově náročné, proto se v poslední době stávají velmi populární in-silico přístupy. V této dizertační práci se zaměříme na analýzu a vizualizaci proteinových struktur, kdy bude kladen důraz zejména na vizualizaci jejich vnitřního volného prostoru. Ten totiž zásadně ovlivňuje reaktivitu proteinu s dalšími molekulami. Nejprve tedy popíšeme nejrůznější techniky pro analýzu proteinů a poté navrhneme několik vizualizačních technik pro zobrazení získaných výsledků. V části zabývající se analýzou proteinů nás bude nejvíce zajímat specifický typ volného prostoru uvnitř proteinů, označovaný jako tunel. Tunely slouží jako transportní cesty pro malé ligandy, které se jimi mohou dostat do aktivního místa proteinu. Aktivní místo, jež je většinou hluboce zanořeno uvnitř proteinu, označuje místo, kde se může k proteinu navázat daný ligand. Ve vizualizační části této dizertační práce se dále zaměříme na popis našich řešení pro některé z definovaných problémů, jako například zobrazení reálného tvaru proteinových tunelů či nalezení vhodného způsobu vizualizace fyzikálně-chemických vlastností tunelů a jejich okolí.

Abstract:

Proteins play an essential role in almost every biological process within living organisms. The detailed understanding of their functions, including studying their geometry, physico-chemical properties, and dynamics, is a vital condition in many fields. This knowledge can be, for instance, used to develop various chemical compounds, such as drugs. In this particular case, the drug designers are searching for a proper combination of a small molecule (ligand) and a protein, which leads to their mutual chemical reaction changing the ligand properties in a desired way. However, the in-vitro experiments are very expensive and time consuming. Therefore, the in-silico approaches are becoming very popular. In this thesis, we focus on the analysis and visualization of protein structures, namely their inner voids. The presence of these voids highly influences the reactivity of protein with other molecules. We first describe various techniques for protein and void analysis and then propose several visualization techniques for the representation of computed results. In the analysis part, we are interested in a specific type of voids called tunnels. They serve as transportation paths for small ligands to the protein active site. The active site, usually buried deeply inside the protein structure, denotes a place where a ligand can bind to the protein. In the visualization part the thesis describes our novel solutions for particular problems, such as depicting the real shape of the protein tunnel or a convenient way to visualize various physico-chemical properties of tunnel surroundings.

Keywords

protein, visualization, molecular surface, protein void, cavity, tunnel, molecular dynamics, CAVER Analyst

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 26. 4. 2016

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 2. 9. 2016
• Vedoucí: prof. Ing. Jiří Sochor, CSc.
• Oponent: Dr. Marc Baaden, Prof. Dr. Timo Ropinski

Masarykova univerzita

Fakulta informatiky

Doktorský studijní program / obor:
Informatika (čtyřleté) / Informatika