Contributions to the study of the protein folding problem using bioinspired computation and molecular dynamics

• Ano de defesa: 2015
• Autor(a) principal: Benítez, César Manuel Vargas
• Orientador(a): Lopes, Heitor Silvério
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná; Curitiba
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
• Palavras-chave em Português: Bioinformática; Computação evolutiva; Processamento paralelo (Computadores); Automato celular; Dinâmica molecular; Métodos de simulação; Engenharia elétrica; Bioinformatics; Evolutionary computation; Parallel processing (Electronic computer); Cellular automata; Molecular dynamics; Simulation methods; Electric engineering
• Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/1211

O Problema de Dobramento de Proteínas (PDP) é considerado um dos desafios abertos mais importantes da Biologia e Bioinformática. Nesta tese, uma nova abordagem para simular os pathways de dobramento de proteínas é proposta onde, ao invés de utilizar a estrutura tridimensional da proteína, os estados de dobramento são representados por Mapas de Contatos (MC). Autômatos Celulares bidimensionais (2D-CA) são utilizados para simular o processo de dobramento, onde cada configuração representa um estado de dobramento e é obtida em relação ao seu estado predecessor e uma regra de transição. Determinar uma regra de transição para um dado comportamento dinâmico representa uma tarefa complexa. Portanto, é apresentada uma abordagem distribuida baseada em Programação de Expressão Gênica, chamada pGEP-CA. Funções de fitness específicas, baseadas em medidas de similaridade e simetria, são propostas. Também, um algoritmo heterogêneo paralelo Ecologicamente-inspirado é proposto. Este algoritmo, chamado pECO, é utilizado na reconstrução de estruturas a partir de MCs, usando o modelo 3D-AB off-lattice. De acordo com o nosso conhecimento, é apresentada a primeira aplicação de Dinâmica Molecular (DM) ao PFP, usando o mesmo modelo de proteínas. Experimentos foram realizados para verificar a adequabilidade das abordagens propostas. Além disto, uma breve análise sobre o balanceamento de carga de processamento das arquiteturas paralelas é apresentada. Os resultados mostram que as abordagens obtiveram resultados coerentes, sugerindo que são adequadas para o problema. As regras de transição induzidas pelo pGEP-CA são capazes de gerar 2D-CA que representam MCs corretamente. Sobre a abordagem pECO, os resultados demonstram que a combinação de abordagens evolucionárias concorrentes se beneficia do efeito da coevolução e das diferentes estratégias de busca. Além disto, pode ser observado que a abordagem de DM é capaz de levar a conformações que mimetizam propriedades biológicas, como a formação do núcleo hidrofóbico e os movimentos de respiração (breathing) das proteínas. Também foi observado que o processamento paralelo é essencial, permitindo a obtenção de resultados em tempos de processamento razoáveis. Finalmente, as conclusões e diversas direções de pesquisa são apresentadas.