A Study of Archiving Strategies in Multi-Objective PSO for Molecular Docking

Molecular docking is a complex optimization problem aimed at predicting the position of a ligand molecule in the active site of a receptor with the lowest binding energy. This problem can be formulated as a bi-objective optimization problem by minimizing the binding energy and the Root Mean Square Deviation (RMSD) difference in the coordinates of ligands. In this context, the SMPSO multi-objective swarm-intelligence algorithm has shown a remarkable performance. SMPSO is characterized by having an external archive used to store the non-dominated solutions and also as the basis of the leader selection strategy. In this paper, we analyze several SMPSO variants based on different archiving strategies in the scope of a benchmark of molecular docking instances. Our study reveals that the SMPSOhv, which uses an hypervolume contribution based archive, shows the overall best performance.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Optimización multi-objetivo en las ciencias de la vida.

Para conseguir este objetivo, en lugar de intentar incorporar nuevos algoritmos directamente en el código fuente de AutoDock, se utilizó un framework orientado a la resolución de problemas de optimización con metaheurísticas. Concretamente, se usó jMetal, que es una librería de código libre basada en Java. Ya que AutoDock está implementado en C++, se desarrolló una versión en C++ de jMetal (posteriormente distribuida públicamente). De esta manera, se consiguió integrar ambas herramientas (AutoDock 4.2 y jMetal) para optimizar la energía libre de unión entre compuesto químico y receptor. Después de disponer de una amplia colección de metaheurísticas implementadas en jMetalCpp, se realizó un detallado estudio en el cual se aplicaron un conjunto de metaheurísticas para optimizar un único objetivo minimizando la energía libre de unión, el cual es el resultado de la suma de todos los términos de energía de la función objetivo de energía de AutoDock 4.2. Por lo tanto, cuatro metaheurísticas tales como dos variantes de algoritmo genético gGA (Algoritmo Genético generacional) y ssGA (Algoritmo Genético de estado estacionario), DE (Evolución Diferencial) y PSO (Optimización de Enjambres de Partículas) fueron aplicadas para resolver el problema del acoplamiento molecular. Esta fase se dividió en dos subfases en las que se usaron dos conjuntos de instancias diferentes, utilizando como receptores HIV-proteasas con cadenas laterales de aminoacidos flexibles y como ligandos inhibidores HIV-proteasas flexibles. El primer conjunto de instancias se usó para un estudio de configuración de parámetros de los algoritmos y el segundo para comparar la precisión de las conformaciones ligando-receptor obtenidas por AutoDock y AutoDock+jMetalCpp. La siguiente fase implicó aplicar una formulación multi-objetivo para resolver problemas de acoplamiento molecular dados los resultados interesantes obtenidos en estudios previos existentes en los que dos objetivos como la energía intermolecular y la energía intramolecular fueron minimizados. Por lo tanto, se comparó y analizó el rendimiento de un conjunto de metaheurísticas multi-objetivo mediante la resolución de complejos flexibles de acoplamiento molecular minimizando la energía inter- e intra-molecular. Estos algoritmos fueron: NSGA-II (Algoritmo Genético de Ordenación No dominada) y su versión de estado estacionario (ssNSGA-II), SMPSO (Optimización Multi-objetivo de Enjambres de Partículas con Modulación de Velocidad), GDE3 (Tercera versión de la Evolución Diferencial Generalizada), MOEA/D (Algoritmo Evolutivo Multi-Objetivo basado en la Decomposición) y SMS-EMOA (Optimización Multi-objetivo Evolutiva con Métrica S). Después de probar enfoques multi-objetivo ya existentes, se probó uno nuevo. En concreto, el uso del RMSD como un objetivo para encontrar soluciones similares a la de la solución de referencia. Se replicó el estudio previo usando este conjunto diferente de objetivos. Por último, se analizó de forma detallada el algoritmo que obtuvo mejores resultados en los estudios previos. En concreto, se realizó un estudio de variantes del SMPSO minimizando la energía intermolecular y el RMSD. Este estudio proporcionó algunas pistas sobre cómo nuevos algoritmos basados en SMPSO pueden ser adaptados para mejorar los resultados de acoplamiento molecular para aquellas simulaciones que involucren ligandos y receptores flexibles. Esta tesis demuestra que la inclusión de técnicas metaheurísticas de jMetalCpp en la herramienta de acoplamiento molecular AutoDock incrementa las posibilidades a los usuarios de ámbito biológico cuando resuelven el problema del acoplamiento molecular. El uso de técnicas de optimización mono-objetivo diferentes aparte de aquéllas ampliamente usadas en las comunidades de acoplamiento molecular podría dar lugar a soluciones de mayor calidad. En nuestro caso de estudio mono-objetivo, el algoritmo de evolución diferencial obtuvo mejores resultados que aquellos obtenidos por AutoDock. También se propone diferentes enfoques multi-objetivo para resolver el problema del acoplamiento molecular, tales como la decomposición de los términos de la energía de unión o el uso del RMSD como un objetivo. Finalmente, se demuestra que el SMPSO, una metaheurística de optimización multi-objetivo de enjambres de partículas, es una técnica remarcable para resolver problemas de acoplamiento molecular cuando se usa un enfoque multi-objetivo, obteniendo incluso mejores soluciones que las técnicas mono-objetivo.Las herramientas de acoplamiento molecular han llegado a ser bastante eficientes en el descubrimiento de fármacos y en el desarrollo de la investigación de la industria farmacéutica. Estas herramientas se utilizan para elucidar la interacción de una pequeña molécula (ligando) y una macro-molécula (diana) a un nivel atómico para determinar cómo el ligando interactúa con el sitio de unión de la proteína diana y las implicaciones que estas interacciones tienen en un proceso bioquímico dado. En el desarrollo computacional de las herramientas de acoplamiento molecular los investigadores de este área se han centrado en mejorar los componentes que determinan la calidad del software de acoplamiento molecular: 1) la función objetivo y 2) los algoritmos de optimización. La función objetivo de energía se encarga de proporcionar una evaluación de las conformaciones entre el ligando y la proteína calculando la energía de unión, que se mide en kcal/mol. En esta tesis, se ha usado AutoDock, ya que es una de las herramientas de acoplamiento molecular más citada y usada, y cuyos resultados son muy precisos en términos de energía y valor de RMSD (desviación de la media cuadrática). Además, se ha seleccionado la función de energía de AutoDock versión 4.2, ya que permite realizar una mayor cantidad de simulaciones realistas incluyendo flexibilidad en el ligando y en las cadenas laterales de los aminoácidos del receptor que están en el sitio de unión. Se han utilizado algoritmos de optimización para mejorar los resultados de acoplamiento molecular de AutoDock 4.2, el cual minimiza la energía libre de unión final que es la suma de todos los términos de energía de la función objetivo de energía. Dado que encontrar la solución óptima en el acoplamiento molecular es un problema de gran complejidad y la mayoría de las veces imposible, se suelen utilizar algoritmos no exactos como las metaheurísticas, para así obtener soluciones lo suficientemente buenas en un tiempo razonable

Novel sampling techniques for reservoir history matching optimisation and uncertainty quantification in flow prediction

Modern reservoir management has an increasing focus on accurately predicting the likely range of field recoveries. A variety of assisted history matching techniques has been developed across the research community concerned with this topic. These techniques are based on obtaining multiple models that closely reproduce the historical flow behaviour of a reservoir. The set of resulted history matched models is then used to quantify uncertainty in predicting the future performance of the reservoir and providing economic evaluations for different field development strategies. The key step in this workflow is to employ algorithms that sample the parameter space in an efficient but appropriate manner. The algorithm choice has an impact on how fast a model is obtained and how well the model fits the production data. The sampling techniques that have been developed to date include, among others, gradient based methods, evolutionary algorithms, and ensemble Kalman filter (EnKF). This thesis has investigated and further developed the following sampling and inference techniques: Particle Swarm Optimisation (PSO), Hamiltonian Monte Carlo, and Population Markov Chain Monte Carlo. The inspected techniques have the capability of navigating the parameter space and producing history matched models that can be used to quantify the uncertainty in the forecasts in a faster and more reliable way. The analysis of these techniques, compared with Neighbourhood Algorithm (NA), has shown how the different techniques affect the predicted recovery from petroleum systems and the benefits of the developed methods over the NA. The history matching problem is multi-objective in nature, with the production data possibly consisting of multiple types, coming from different wells, and collected at different times. Multiple objectives can be constructed from these data and explicitly be optimised in the multi-objective scheme. The thesis has extended the PSO to handle multi-objective history matching problems in which a number of possible conflicting objectives must be satisfied simultaneously. The benefits and efficiency of innovative multi-objective particle swarm scheme (MOPSO) are demonstrated for synthetic reservoirs. It is demonstrated that the MOPSO procedure can provide a substantial improvement in finding a diverse set of good fitting models with a fewer number of very costly forward simulations runs than the standard single objective case, depending on how the objectives are constructed. The thesis has also shown how to tackle a large number of unknown parameters through the coupling of high performance global optimisation algorithms, such as PSO, with model reduction techniques such as kernel principal component analysis (PCA), for parameterising spatially correlated random fields. The results of the PSO-PCA coupling applied to a recent SPE benchmark history matching problem have demonstrated that the approach is indeed applicable for practical problems. A comparison of PSO with the EnKF data assimilation method has been carried out and has concluded that both methods have obtained comparable results on the example case. This point reinforces the need for using a range of assisted history matching algorithms for more confidence in predictions

Large space structures and systems in the space station era: A bibliography with indexes

Bibliographies and abstracts are listed for 1372 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between January 1, 1990 and June 30, 1990. Its purpose is to provide helpful information to the researcher, manager, and designer in technology development and mission design according to system, interactive analysis and design, structural and thermal analysis and design, structural concepts and control systems, electronics, advanced materials, assembly concepts, propulsion, and solar power satellite systems

Large space structures and systems in the space station era: A bibliography with indexes

Bibliographies and abstracts are listed for 1219 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between July 1, 1990 and December 31, 1990. The purpose is to provide helpful information to the researcher, manager, and designer in technology development and mission design according to system, interactive analysis and design, structural and thermal analysis and design, structural concepts and control systems, electronics, advanced materials, assembly concepts, propulsion, and solar power satellite systems

Evolutionary Computation 2020

Intelligent optimization is based on the mechanism of computational intelligence to refine a suitable feature model, design an effective optimization algorithm, and then to obtain an optimal or satisfactory solution to a complex problem. Intelligent algorithms are key tools to ensure global optimization quality, fast optimization efficiency and robust optimization performance. Intelligent optimization algorithms have been studied by many researchers, leading to improvements in the performance of algorithms such as the evolutionary algorithm, whale optimization algorithm, differential evolution algorithm, and particle swarm optimization. Studies in this arena have also resulted in breakthroughs in solving complex problems including the green shop scheduling problem, the severe nonlinear problem in one-dimensional geodesic electromagnetic inversion, error and bug finding problem in software, the 0-1 backpack problem, traveler problem, and logistics distribution center siting problem. The editors are confident that this book can open a new avenue for further improvement and discoveries in the area of intelligent algorithms. The book is a valuable resource for researchers interested in understanding the principles and design of intelligent algorithms

Advances in Grid Computing

This book approaches the grid computing with a perspective on the latest achievements in the field, providing an insight into the current research trends and advances, and presenting a large range of innovative research papers. The topics covered in this book include resource and data management, grid architectures and development, and grid-enabled applications. New ideas employing heuristic methods from swarm intelligence or genetic algorithm and quantum encryption are considered in order to explain two main aspects of grid computing: resource management and data management. The book addresses also some aspects of grid computing that regard architecture and development, and includes a diverse range of applications for grid computing, including possible human grid computing system, simulation of the fusion reaction, ubiquitous healthcare service provisioning and complex water systems

Large space structures and systems in the space station era: A bibliography with indexes (supplement 03)

Bibliographies and abstracts are listed for 1221 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between January 1, 1991 and June 30, 1991. Topics covered include large space structures and systems, space stations, extravehicular activity, thermal environments and control, tethering, spacecraft power supplies, structural concepts and control systems, electronics, advanced materials, propulsion, policies and international cooperation, vibration and dynamic controls, robotics and remote operations, data and communication systems, electric power generation, space commercialization, orbital transfer, and human factors engineering

Large space structures and systems in the space station era: A bibliography with indexes (supplement 05)

Bibliographies and abstracts are listed for 1363 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between January 1, 1991 and July 31, 1992. Topics covered include technology development and mission design according to system, interactive analysis and design, structural and thermal analysis and design, structural concepts and control systems, electronics, advanced materials, assembly concepts, propulsion and solar power satellite systems