Representações de superfícies moleculares em harmônicos esféricos para simulação de formação de complexos entre proteínas

• Main Author: Silva, Samuel Reghim
• Other Authors: Montalvão, Rinaldo Wander
• Format: Others
• Language: pt
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2018
• Subjects: Atracamento de proteínas; Image reconstruction; Molecular surface; Protein docking; Reconstrução de imagens; Simulação; Simulation; Superfície molecular
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76132/tde-06052019-103249/

O uso de programas de computador para simular a formação de complexos entre proteínas é uma abordagem importante para melhor compreensão de como estas moléculas interagem. A representação paramétrica e a representação em polinômios tridimensionais de Zernike são ambas descrições compactas de superfícies moleculares baseadas em harmônicos esféricos utilizadas para visualização e comparação de superfícies moleculares e para atracamento de proteínas. Entretanto, apresentam limitações como restrição à topologia da superfície e dificuldade de representação de funções arbitrárias. Neste estudo, procurou-se refinar a capacidade de representação destes métodos para obtenção de elevada qualidade de reprodução e aplicabilidade a superfícies de topologia arbitrária. Através da análise de diversos algoritmos de suas etapas, foi possível identificar os estágios de cálculo de malha triangular de superfície molecular e de mapeamento esférico como os mais influentes na qualidade da representação paramétrica em harmônicos esféricos, e a alta sensibilidade a mudança de valores nas funções projetadas na qualidade da representação em Zernike 3D. A incorporação de um método de cálculo de superfícies que gera uma malha com elevada regularidade, aliado a um moderno algoritmo de mapeamento esférico garantiu baixo nível de distorções e obtenção de superfícies reconstruídas de alta qualidade. Uma técnica de detecção de similaridade entre superfícies de diferentes conformações de um ensemble permitiu compartilhamento de partes da descrição entre várias superfícies, com correspondente redução de volume de dados e de demanda por processamento, e com influência controlável nas distorções introduzidas. Um modo diferente de organização dos dados de entrada causou melhoria na qualidade de reconstrução de funções gerais em Zernike 3D, embora com a introdução de um mapa para restauração da função. Os resultados obtidos indicam aplicação promissora dos métodos em docking de proteínas com alto nível de detalhes. === Using computer programs to simulate protein complex formation is an important approach for better comprehension of the interaction mechanisms of such molecules. The parametric representation and the Zernike polynomial method are both compact representations of molecular surfaces based on spherical harmonics, used for visualization and comparison of molecules and for protein-protein docking. They pose, however, limitations regarding surface topology and difficulty in representing arbitrary functions. In this study, the representation capacity of such methods were refined to attain high quality reproductions and applicability to arbitrary topologies. Throughout the analysis of several algorithms, the stages of surface mesh calculation and spherical mapping were identified as highly influential on the quality of the spherical harmonics parametric representation, while high sensibility to changes in the function values were identified as an influential factor for projections in 3D Zernike. A surface calculation method that generates a highly regular mesh was adopted and paired with a modern spherical mapping algorithm to yield reconstructions with low level of distortions and high quality surfaces. Similarity among surfaces from different structures in a conformational ensemble were detected to allow sharing of portions of the description among several surfaces, with corresponding reduction in data volume and processing demand and controllable influence of distortions. A new input data organization method improved the reconstruction quality of general functions in 3D Zernike, although introducing a map to restore the function. Results indicate promising application of the methods in highly detailed protein-protein docking.