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http://hdl.handle.net/1843/77747
Type: | Tese |
Title: | Gapin: uma ferramenta para visualização e análise de redes de interações atômicas intermoleculares |
Authors: | Biharck Muniz Araújo |
First Advisor: | Carlos Henrique da Silveira |
Abstract: | Vários métodos computacionais, bases de dados e ferramentas inovadoras têm sido propostas para visualização e análise de dados de interações biomoleculares, com o objetivo de extrair conhecimento útil principalmente através de representações das interfaces em redes de contatos. No entanto, tais iniciativas tendem a ser especializadas em determinado tipo de interface (proteína-proteína ou proteína-ligante, por exemplo), e não se generalizam facilmente para qualquer interfaceamento, independente das bio- moléculas envolvidas. E acima de tudo: como melhor visualizar tais redes de interações, tendo o desenho de candidatos a fármacos em mente? No intuito de somar esforços a esses desafios, propõem-se aqui a ferramenta GAPIN - Grouped and Aligned Protein Interface Networks, uma aplicação 100% web, com toda a imediata disponibilidade, portabilidade, usabilidade e conveniência que só os modernos navegadores podem ofe- recer. GAPIN tem como principal entrada de dados os arquivos PDBs, definindo interfaces entre biomoléculas como grafos em nível atômico. Uma granularidade nesse nível permite visualizações independente das biomoléculas envolvidas, se entre proteí- nas, ácidos nucléicos, carboidratos, lipídios, ligantes, íons ou mesmo águas. GAPIN é capaz de contrastar as estruturas PDB renderizadas com os respectivos grafos, em dois níveis de granularidade: a primeira, com nós representando átomos da interface; a segunda, com nós representando comunidades de átomos (fruto do agrupamento em grafo) conforme a densidade das arestas, formando grafos modularizados ou de alto nível. GAPIN também disponibiliza uma opção para alinhamento e similaridade dos grafos modularizados. Mostramos neste trabalho que grafos de alto nível podem ajudar na identificação e caracterização de Spots, regiões nas interfaces proteínas-proteínas que agrupam resíduos com relevante contribuição ao G de binding. Há fortes evidências na literatura que tais regiões tendem a ser potenciais alvos para candidatos a fárma- cos. Visando dar destaque ao amplo espectro de ação do GAPIN, dois experimentos foram conduzidos: um envolvendo o alinhamento de regiões hidrofóbicas numa base de dados de diferentes serino-peptidases e inibidores; outro, envolvendo a caracterização de Spots numa base de dados de mutações por alanina. Mostramos que GAPIN foi capaz de identificar, por alinhamento, padrões hidrofóbicos não triviais na primeira base de dados. Também foi capaz de revelar, na segunda base de dados, uma curiosa correlação entre as áreas de contatos dos nós em grafos modularizados e a presença de Spots energéticos. Espera-se que neste trabalho tenha sido possível demonstrar a versatilidade visual e a potencialidade analítica da ferramenta GAPIN, para estudos de uma grande variedade de interfaces intermoleculares, com efetivo poder de auxiliar pes- quisadores de diversas especialidades a entenderem melhor as propriedades topológicas e físico-químicas de potenciais alvos terapêuticos na busca por fármacos inovadores |
Abstract: | Aiming to extract useful knowledge mainly through representations of the interfaces in networks of contacts, several computational methods, databases, and innovative tools have been proposed for visualization and analysis of data of biomolecular interactions. However, such initiatives tend to be specialized in a particular type of interface, (such as protein-protein or protein-ligand, for instance), and do not easily generalize to any kind of interfaces, regardless of the biomolecules involved. And it is more than that: What is a good way to visualize such interactions networks, focusing on the design of drug candidates? In order to add efforts to these challenges, we propose a tool called GAPIN - Grouped and Aligned Protein Interface Networks, which is a 100 % web application, with high availability, portability, usability and convenience that modern browsers can offer. The main data input for GAPIN is PDB files. GAPIN will define interfaces between biomolecules as graphs at the atomic level. A granularity at this level allows independent visualizations of the involved biomolecules, whether among proteins, nucleic acids, carbohydrates, lipids, ligands, ions or even waters. GAPIN is able to contrast the PDB structures rendered with its respective graphs, in two levels of granularity: the first one, with nodes representing atoms of the interface; the second, with nodes representing communities of atoms (the result of graph clustering) according to the density of the edges, forming modular or higher-level graphs. GAPIN also provides an option for alignment and similarity of modularized graphs. We show in this work that high-level graphs can help in the identification and characterization of Spots, regions at the protein-protein interfaces that group together residues with a relevant contribution to the ⌧ of binding. Literature shows strong evidence that such regions tend to be potential targets for drug candidates. Aiming to highlight overal spectrum of GAPIN, two experiments were developed: the first one involving the alignment of hydrophobic regions in a database of different serine-peptidases and inhibitors; the other one, involving the characterization of Spots in an alanine mutagenesis data set. We have shown that GAPIN was able to identify, by alignment, non-trivial hydrophobic patterns in the first database. It was also able to reveal, in the second database, a curious correlation between the contact areas of nodes in modularized graphs and the presence of energetic Spots. The outcome of this work expects the possibility to demonstrate the visual versatility and analytical potentiality of the GAPIN tool for the study of a huge variety of intermolecular interfaces, with effective power to help researchers from different specialties to get a better understanding about the topological and physicochemical properties of potential therapeutic targets for innovative drugs. |
Subject: | Bioinformática Domínios e Motivos de Interação entre Proteínas Modelos Moleculares Bioinformática Desenvolvimento de Medicamentos |
language: | por |
metadata.dc.publisher.country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
Publisher Initials: | UFMG |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Bioinformatica |
Rights: | Acesso Aberto |
URI: | http://hdl.handle.net/1843/77747 |
Issue Date: | 5-Jul-2019 |
Appears in Collections: | Teses de Doutorado |
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