Πρόβλεψη της δομής και της λειτουργίας των πρωτεϊνών μέσω ΗΜΜ

Abstract

Δεδομένης της πρωτεύουσας σημασίας που έχουν οι πρωτεΐνες για τους οργανισμούς, οι ερευνητές καταβάλλουν προσπάθειες για την ανάπτυξη ολο ένα και πιο αξιόπιστων εργαστηριακών και υπολογιστικών μεθόδων για τον καθορισμό της δομής και της λειτουργίας των πρωτεϊνών, στοχεύοντας τόσο στην κατανόηση της διαδικασίας δόμησής τους, όσο και στην παρασκευή αποτελεσματικότερων φαρμάκων. Οι υπολογιστικές τεχνικές πρόβλεψης της δομής των πρωτεϊνών από την αμινοξική ακολουθία τους, φιλοδοξούν να αντικαταστήσουν τις εξαιρετικά χρονοβόρες και δαπανηρές εργαστηριακές μεθόδους στην διαδικασία παρασκευής φαρμάκων. Σήμερα, ο στόχος αυτός φαίνεται ακόμα μακρινός. Έχει αποδειχθεί στην πράξη, ότι τα ΗΜΜs αποτελούν ένα ισχυρό εργαλείο, όχι μόνο για τους τομείς της επεξεργασίας φυσικής γλώσσας, της αναγνώρισης μοτίβων και άλλους τομείς, αλλά και για την πρόβλεψη της δομής και της λειτουργίας των πρωτεϊνών. Στην εργασία αυτή, αρχικά παρέχουμε το αναγκαίο γνωσιακό υπόβαθρο βιολογίας για την μελέτη του θέματος του καθορισμού της πρωτεϊνικής δομής και λειτουργίας. Ακολούθως, παρουσιάζονται τρόποι καθορισμού της δομής των πρωτεϊνών που συναντώνται στις σύγχρονες εργαστηριακές και υπολογιστικές μεθόδους. Στην συνέχεια, επικεντρωνόμαστε στις υπολογιστικές μεθόδους και αναλύουμε την δυναμική των ΗΜΜs στον χώρο της μοντελοποίησης. Παρουσιάζουμε, πως χρησιμοποιούνται συνήθως στην πρόβλεψη της δομής των πρωτεϊνών, περιγράφοντας τέσσερις ενδεικτικές μεθόδους που έχουν αναπτυχθεί για τον σκοπό αυτό. Ακόμα, αναπτύσσουμε την κύρια προσέγγιση που ακολουθείται σήμερα, στην πρόβλεψη της πρωτεϊνικής λειτουργίας μέσω HMMs. Επιπλέον, παραθέτουμε σχόλια και παρατηρήσεις στα παραπάνω θέματα, με απώτερο στόχο την συμβολή στην βελτίωση των υπαρχόντων μεθόδων και στην ανάπτυξη νέων. Τέλος, καταλήγουμε σε ορισμένα συμπεράσματα για την κύρια, ερευνητική τοποθέτηση που υιοθετείται σήμερα, για την εύρεση της πρωτεϊνικής δομής και λειτουργίας μέσω υπολογιστικών μεθόδων και παρουσιάζουμε μια εναλλακτική, ευρύτερη «οπτική» για την έρευνα πάνω στο ζήτημα αυτό.

Considering proteins being of prime importance for the organisms’ existance, the researchers make great efforts to develop all the more reliable laboratory as well as computational methods, for determining proteins’ structure and function, aiming at perceiving how proteins build up as well as at constructing more effective medicines. The computational techniques, predicting proteins’ structure from their amino-acid sequences, aspire to replace the extremely time-consuming and expensive laboratory methods in the medicine constuction procedure. This goal has yet to be achieved. It has been proved in practice, that HMMs constitute a powerful tool, not only in the fields of natural language processing, pattern recognition and so on, but also in the prediction of proteins’ structure and function. In this project, at first we provide the necessary knowledge background in biology for studying the issue of determining protein structure and function. Then, ways of determining proteins’ structure, encountered on modern laboratory and computational methods, are presented. We proceed to focus on the computational methods and exhibit the HMMs’ potential in the field of modelling. We present how HMMs are commonly used in protein structure prediction, by way of describing four indicative methods developed for the aformentioned purpose. In addition, we explain the prevalent approach followed today in protein function prediction by using HMMs. Furthermore, we comment on all the above issues, aiming at contributing to either current methods’ improvement or the development of new ones. At the end, we discuss on the way researchers approach the problem of predicting proteins’ structure and function through computational methods and we present an alternative and broader way of viewing the above issue.