Praca doktorska
Miniatura
Pliki
0000-DR-49289-praca.pdf11.9 MB
Licencja
FairUseKorzystanie z tego materiału możliwe jest zgodnie z właściwymi przepisami o dozwolonym użytku lub o innych wyjątkach przewidzianych w przepisach prawa. Korzystanie w szerszym zakresie wymaga uzyskania zgody uprawnionego.
 

Nowe metody analizy mechanizmów funkcjonowania układów biomolekularnych w oparciu o symulacje dynamiki molekularnej

Uproszczony widok
dc.abstract.plPrzedmiotem badań niniejszej rozprawy doktorskiej są metody analizy mechanizmów funkcjonowania układów (bio)molekularnych. Pierwsza część badań dotyczy sieci strukturalnych białek (ang. protein structure network) zdefiniowanych w oparciu o zbiór węzłów (aminokwasów) połączonych krawędziami (kontaktami), którym przypisywany jest atrybut, długość kontaktu. Dążąc do określenia sieci zapewniających optymalną reprezentację struktur białek skupiono się na znalezieniu właściwej odległości odcięcia kontaktu, tj. długości powyżej której jest on uznawany za zerwany. Stosując podejście oparte na teorii informacji, w ramach którego poszukiwano reprezentacji charakteryzującej się możliwie dużą zawartością informacji przypadającej na kontakt, wykazano, że odległość odcięcia zapewniająca spełnienie tego kryterium dla szerokiej klasy białek jest taka sama, niezależnie od rodzaju drugorzędowej struktury i wielkości białka. Na potrzeby analiz wprowadzono i zastosowano miarę średniej korelacji, która w zastosowaniu do sygnałów gaussowskich równoważna jest mierze informacji wzajemnej, określającej ilość redundantnej informacji w sygnale. W drugiej części badań wykorzystano model sieci kontaktów uzyskany dla trajektorii dynamiki molekularnej białka chignoliny oraz formalizm analizy przyczynowości Grangera, do określania powiązań czasowych w procesie odwracalnego przechodzenia białka ze struktury rozwiniętej do natywnej struktury β-spinki do włosów. Na potrzeby opisu wprowadzono szereg deskryptorów pozwalających na uzyskanie prostej interpretacji macierzy współczynników Grangera. Przeprowadzona analiza pozwoliła w sposób obiektywny wskazać, który spośród dwóch głównych, szeroko rozważanych w literaturze mechanizmów zwijania się chignoliny w strukturę β- spinki, jest realizowany w ramach badanej symulacji. W ostatniej części, zaproponowano wydajny numerycznie formalizm oparty o algebrę kwaternionów, pozwalający na zastosowanie analizy przyczynowości Grangera do badania powiązań czasowych pomiędzy wektorami trójwymiarowymi. Formalizm taki pozwala na wygodne stosowanie analizy powiązań czasowych w odniesieniu do wektorowych wielkości fizycznych, m.in powszechnie występujących w symulacjach układów (bio)molekularnych. Jego poprawne działanie zostało zweryfikowane w oparciu o symulacje modelowego układu fizycznego.
dc.abstract.plThe subject of the research thesis is the development of methods for analyzing functional mechanisms of (bio)molecular systems. The first part concerns protein structure networks defined based on a set of nodes (amino acids) connected by edges (contacts), which are assigned an attribute, contact length. In an effort to identify networks that provide an optimal representation of protein structures, the focus was on finding the suitable contact cutoff distance, i.e. the length above which a contact is considered broken. Using an approach based on the information theory, with the aim to determine representation characterized by the highest possible information content per contact, it was shown that the cutoff distance ensuring the fulfillment of this criterion for a wide class of proteins is the same, regardless of the type of protein secondary structure and size. Specifically for the purpose of the analyses, a mean correlation measure was introduced and used, which, when applied to Gaussian signals, is equivalent to a measure of mutual information that quantifies the amount of redundancy in the signal. In the second part of the study, a contact network model, obtained based on molecular dynamics trajectory of the chignolin protein, was used in the framework of Granger causality analysis to determine the temporal relationships in the process of reversible protein folding into β-hairpin structure. A number of descriptors were introduced to simplify the interpretation of the Granger coefficients matrix. The analysis made it possible to objectively indicate which of the two main mechanisms of chignolin folding, widely debated in the literature, is captured by the considered simulation. In the last section, a numerically efficient formalism based on quaternion algebra was proposed, allowing the application of Granger causality analysis to temporal signals composed of threedimensional vectors. Such a formalism allows convenient application of the causality analysis to vector physical quantities, that are commonly found in biomolecular simulations. Its applicability was demonstrated based on simulations of a model system.
dc.affiliation.departmentWydział Fizyki
dc.contributor.authorSobieraj, Marcin
dc.date.accessioned2023-11-16T10:19:57Z
dc.date.available2023-11-16T10:19:57Z
dc.date.defence2023-11-27
dc.date.issued2023-11-16
dc.description.additionalLink archiwalny https://depotuw.ceon.pl/handle/item/4759
dc.description.promoterSetny, Piotr
dc.identifier.urihttps://repozytorium.uw.edu.pl//handle/item/4759
dc.language.isopl
dc.rightsFairUse
dc.subject.plmodel Q-MVAR
dc.subject.plwektorowe kanały sygnału
dc.subject.plreprezentacja kwaternionowa
dc.subject.pldeskryptory przyczynowości
dc.subject.plzwijanie białek
dc.subject.plchignolina
dc.subject.plmiary przyczynowości
dc.subject.planaliza przyczynowości
dc.subject.plmodel MVAR
dc.subject.plmodel autoregresyjny
dc.subject.plszeregi czasowe
dc.subject.plśrednia korelacja
dc.subject.plsieć strukturalna białka
dc.subject.plinformacja wzajemna
dc.subject.plentropia informacyjna
dc.subject.plodległość odcięcia kontaktu
dc.subject.pldynamika molekularna
dc.subject.plsymulacje komputerowe
dc.subject.plvector signal channels
dc.subject.plquaternion representation
dc.subject.plcausal descriptors
dc.subject.plprotein folding
dc.subject.plchignolin
dc.subject.plcausality measure
dc.subject.plGranger causality
dc.subject.plMVAR
dc.subject.plautoregressive model
dc.subject.pltime series
dc.subject.plaverage correlation
dc.subject.plprotein structure networks
dc.subject.plmutual information
dc.subject.plentropy information
dc.subject.plcontact cutoff distance
dc.subject.plmolecular dynamics
dc.subject.plcomputer simulations
dc.titleNowe metody analizy mechanizmów funkcjonowania układów biomolekularnych w oparciu o symulacje dynamiki molekularnej
dc.title.alternativeNew Methods for Analyzing the Mechanisms of Functioning of Biomolecular Systems Based on Molecular Dynamics Symulations
dc.typeDoctoralThesis
dspace.entity.typePublication