Flexible protein folding by ant colony optimization

Protein structure prediction is one of the most challenging topics in bioinformatics. As the protein structure is found to be closely related to its functions, predicting the folding structure of a protein to judge its functions is meaningful to the humanity. This chapter proposes a flexible ant colony (FAC) algorithm for solving protein folding problems (PFPs) based on the hydrophobic-polar (HP) square lattice model. Different from the previous ant algorithms for PFPs, the pheromones in the proposed algorithm are placed on the arcs connecting adjacent squares in the lattice. Such pheromone placement model is similar to the one used in the traveling salesmen problems (TSPs), where pheromones are released on the arcs connecting the cities. Moreover, the collaboration of effective heuristic and pheromone strategies greatly enhances the performance of the algorithm so that the algorithm can achieve good results without local search methods. By testing some benchmark two-dimensional hydrophobic-polar (2D-HP) protein sequences, the performance shows that the proposed algorithm is quite competitive compared with some other well-known methods for solving the same protein folding problems

Soft Computing Techiniques for the Protein Folding Problem on High Performance Computing Architectures

The protein-folding problem has been extensively studied during the last fifty years. The understanding of the dynamics of global shape of a protein and the influence on its biological function can help us to discover new and more effective drugs to deal with diseases of pharmacological relevance. Different computational approaches have been developed by different researchers in order to foresee the threedimensional arrangement of atoms of proteins from their sequences. However, the computational complexity of this problem makes mandatory the search for new models, novel algorithmic strategies and hardware platforms that provide solutions in a reasonable time frame. We present in this revision work the past and last tendencies regarding protein folding simulations from both perspectives; hardware and software. Of particular interest to us are both the use of inexact solutions to this computationally hard problem as well as which hardware platforms have been used for running this kind of Soft Computing techniques.This work is jointly supported by the FundaciónSéneca (Agencia Regional de Ciencia y Tecnología, Región de Murcia) under grants 15290/PI/2010 and 18946/JLI/13, by the Spanish MEC and European Commission FEDER under grant with reference TEC2012-37945-C02-02 and TIN2012-31345, by the Nils Coordinated Mobility under grant 012-ABEL-CM-2014A, in part financed by the European Regional Development Fund (ERDF). We also thank NVIDIA for hardware donation within UCAM GPU educational and research centers.Ingeniería, Industria y Construcció

Genetic algorithm in ab initio protein structure prediction using low resolution model : a review

Proteins are sequences of amino acids bound into a linear chain that adopt a specific folded three-dimensional (3D) shape. This specific folded shape enables proteins to perform specific tasks. The protein structure prediction (PSP) by ab initio or de novo approach is promising amongst various available computational methods and can help to unravel the important relationship between sequence and its corresponding structure. This article presents the ab initio protein structure prediction as a conformational search problem in low resolution model using genetic algorithm. As a review, the essence of twin removal, intelligence in coding, the development and application of domain specific heuristics garnered from the properties of the resulting model and the protein core formation concept discussed are all highly relevant in attempting to secure the best solution

A Parallel Framework for Multipoint Spiral Search in ab Initio Protein Structure Prediction

Protein structure prediction is computationally a very challenging problem. A large number of existing search algorithms attempt to solve the problem by exploring possible structures and finding the one with the minimum free energy. However, these algorithms perform poorly on large sized proteins due to an astronomically wide search space. In this paper, we present a multipoint spiral search framework that uses parallel processing techniques to expedite exploration by starting from different points. In our approach, a set of random initial solutions are generated and distributed to different threads. We allow each thread to run for a predefined period of time. The improved solutions are stored threadwise. When the threads finish, the solutions are merged together and the duplicates are removed. A selected distinct set of solutions are then split to different threads again. In our ab initio protein structure prediction method, we use the three-dimensional face-centred-cubic lattice for structure-backbone mapping. We use both the low resolution hydrophobic-polar energy model and the high-resolution 20×20 energy model for search guiding. The experimental results show that our new parallel framework significantly improves the results obtained by the state-of-the-art single-point search approaches for both energy models on three-dimensional face-centred-cubic lattice. We also experimentally show the effectiveness of mixing energy models within parallel threads

Optimización de algoritmos bioinspirados en sistemas heterogéneos CPU-GPU.

Los retos científicos del siglo XXI precisan del tratamiento y análisis de una ingente cantidad de información en la conocida como la era del Big Data. Los futuros avances en distintos sectores de la sociedad como la medicina, la ingeniería o la producción eficiente de energía, por mencionar sólo unos ejemplos, están supeditados al crecimiento continuo en la potencia computacional de los computadores modernos. Sin embargo, la estela de este crecimiento computacional, guiado tradicionalmente por la conocida “Ley de Moore”, se ha visto comprometido en las últimas décadas debido, principalmente, a las limitaciones físicas del silicio. Los arquitectos de computadores han desarrollado numerosas contribuciones multicore, manycore, heterogeneidad, dark silicon, etc, para tratar de paliar esta ralentización computacional, dejando en segundo plano otros factores fundamentales en la resolución de problemas como la programabilidad, la fiabilidad, la precisión, etc. El desarrollo de software, sin embargo, ha seguido un camino totalmente opuesto, donde la facilidad de programación a través de modelos de abstracción, la depuración automática de código para evitar efectos no deseados y la puesta en producción son claves para una viabilidad económica y eficiencia del sector empresarial digital. Esta vía compromete, en muchas ocasiones, el rendimiento de las propias aplicaciones; consecuencia totalmente inadmisible en el contexto científico. En esta tesis doctoral tiene como hipótesis de partida reducir las distancias entre los campos hardware y software para contribuir a solucionar los retos científicos del siglo XXI. El desarrollo de hardware está marcado por la consolidación de los procesadores orientados al paralelismo masivo de datos, principalmente GPUs Graphic Processing Unit y procesadores vectoriales, que se combinan entre sí para construir procesadores o computadores heterogéneos HSA. En concreto, nos centramos en la utilización de GPUs para acelerar aplicaciones científicas. Las GPUs se han situado como una de las plataformas con mayor proyección para la implementación de algoritmos que simulan problemas científicos complejos. Desde su nacimiento, la trayectoria y la historia de las tarjetas gráficas ha estado marcada por el mundo de los videojuegos, alcanzando altísimas cotas de popularidad según se conseguía más realismo en este área. Un hito importante ocurrió en 2006, cuando NVIDIA (empresa líder en la fabricación de tarjetas gráficas) lograba hacerse con un hueco en el mundo de la computación de altas prestaciones y en el mundo de la investigación con el desarrollo de CUDA “Compute Unified Device Arquitecture. Esta arquitectura posibilita el uso de la GPU para el desarrollo de aplicaciones científicas de manera versátil. A pesar de la importancia de la GPU, es interesante la mejora que se puede producir mediante su utilización conjunta con la CPU, lo que nos lleva a introducir los sistemas heterogéneos tal y como detalla el título de este trabajo. Es en entornos heterogéneos CPU-GPU donde estos rendimientos alcanzan sus cotas máximas, ya que no sólo las GPUs soportan el cómputo científico de los investigadores, sino que es en un sistema heterogéneo combinando diferentes tipos de procesadores donde podemos alcanzar mayor rendimiento. En este entorno no se pretende competir entre procesadores, sino al contrario, cada arquitectura se especializa en aquella parte donde puede explotar mejor sus capacidades. Donde mayor rendimiento se alcanza es en estos clústeres heterogéneos, donde múltiples nodos son interconectados entre sí, pudiendo dichos nodos diferenciarse no sólo entre arquitecturas CPU-GPU, sino también en las capacidades computacionales dentro de estas arquitecturas. Con este tipo de escenarios en mente, se presentan nuevos retos en los que lograr que el software que hemos elegido como candidato se ejecuten de la manera más eficiente y obteniendo los mejores resultados posibles. Estas nuevas plataformas hacen necesario un rediseño del software para aprovechar al máximo los recursos computacionales disponibles. Se debe por tanto rediseñar y optimizar los algoritmos existentes para conseguir que las aportaciones en este campo sean relevantes, y encontrar algoritmos que, por su propia naturaleza sean candidatos para que su ejecución en dichas plataformas de alto rendimiento sea óptima. Encontramos en este punto una familia de algoritmos denominados bioinspirados, que utilizan la inteligencia colectiva como núcleo para la resolución de problemas. Precisamente esta inteligencia colectiva es la que les hace candidatos perfectos para su implementación en estas plataformas bajo el nuevo paradigma de computación paralela, puesto que las soluciones pueden ser construidas en base a individuos que mediante alguna forma de comunicación son capaces de construir conjuntamente una solución común. Esta tesis se centrará especialmente en uno de estos algoritmos bioinspirados que se engloba dentro del término metaheurísticas bajo el paradigma del Soft Computing, el Ant Colony Optimization “ACO”. Se realizará una contextualización, estudio y análisis del algoritmo. Se detectarán las partes más críticas y serán rediseñadas buscando su optimización y paralelización, manteniendo o mejorando la calidad de sus soluciones. Posteriormente se pasará a implementar y testear las posibles alternativas sobre diversas plataformas de alto rendimiento. Se utilizará el conocimiento adquirido en el estudio teórico-práctico anterior para su aplicación a casos reales, más en concreto se mostrará su aplicación sobre el plegado de proteínas. Todo este análisis es trasladado a su aplicación a un caso concreto. En este trabajo, aunamos las nuevas plataformas hardware de alto rendimiento junto al rediseño e implementación software de un algoritmo bioinspirado aplicado a un problema científico de gran complejidad como es el caso del plegado de proteínas. Es necesario cuando se implementa una solución a un problema real, realizar un estudio previo que permita la comprensión del problema en profundidad, ya que se encontrará nueva terminología y problemática para cualquier neófito en la materia, en este caso, se hablará de aminoácidos, moléculas o modelos de simulación que son desconocidos para los individuos que no sean de un perfil biomédico.Ingeniería, Industria y Construcció

Secondary structure-based template selection for fragment-assembly protein structure prediction

Proteins play critical biochemical roles in all living organisms; in human beings, they are the targets of 50% of all drugs. Although the first protein structure was determined 60 years ago, experimental techniques are still time and cost consuming. Consequently, in silico protein structure prediction, which is considered a main challenge in computational biology, is fundamental to decipher conformations of protein targets. This thesis contributes to the state of the art of fragment-assembly protein structure prediction. This category has been widely and thoroughly studied due to its application to any type of targets. While the majority of research focuses on enhancing the functions that are used to score fragments by incorporating new terms and optimising their weights, another important issue is how to pick appropriate fragments from a large pool of candidate structures. Since prediction of the main structural classes, i.e. mainly-alpha, mainly-beta and alpha-beta, has recently reached quite a high level of accuracy, we have introduced a novel approach by decreasing the size of the pool of candidate structures to comprise only proteins that share the same structural class a target is likely to adopt. Picking fragments from this customised set of known structures not only has contributed in generating decoys with higher level of accuracy but also has eliminated irrelevant parts of the search space which makes the selection of first models a less complicated process, addressing the inaccuracies of energy functions. In addition to the challenge of adopting a unique template structure for all targets, another one arises whenever relying on the same amount of corrections and fine tunings; such a phase may be damaging to “easy’ targets, i.e. those that comprise a relatively significant percentage of alpha helices. Owing to the sequence-structure correlation based on which fragment-based protein structure prediction was born, we have also proposed a customised phase of correction based on the structural class prediction of the target in question. After using secondary structure prediction as a “global feature” of a target, i.e. structural classes, we have also investigated its usage as a “local feature” to customise the number of candidate fragments, which is currently the same at all positions. Relying on the known facts regarding diversity of short fragments of helices, sheets and loops, the fragment insertion process has been adjusted to make “changes” relative to the expected complexity of each region. We have proved in this thesis the extent to which secondary structure features can be used implicitly or explicitly to enhance fragment assembly protein structure prediction