A New Multi-Objective Approach for Molecular Docking Based on RMSD and Binding Energy

Ligand-protein docking is an optimization problem based on predicting the position of a ligand with the lowest binding energy in the active site of the receptor. Molecular docking problems are traditionally tackled with single-objective, as well as with multi-objective approaches, to minimize the binding energy. In this paper, we propose a novel multi-objective formulation that considers: the Root Mean Square Deviation (RMSD) difference in the coordinates of ligands and the binding (intermolecular) energy, as two objectives to evaluate the quality of the ligand-protein interactions. To determine the kind of Pareto front approximations that can be obtained, we have selected a set of representative multi-objective algorithms such as NSGA-II, SMPSO, GDE3, and MOEA/D. Their performances have been assessed by applying two main quality indicators intended to measure convergence and diversity of the fronts. In addition, a comparison with LGA, a reference single-objective evolutionary algorithm for molecular docking (AutoDock) is carried out. In general, SMPSO shows the best overall results in terms of energy and RMSD (value lower than 2A for successful docking results). This new multi-objective approach shows an improvement over the ligand-protein docking predictions that could be promising in in silico docking studies to select new anticancer compounds for therapeutic targets that are multidrug resistant.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Minimum Population Search, an Application to Molecular Docking

Computer modeling of protein-ligand interactions is one of the most important phases in a drug design process. Part of the process involves the optimization of highly multi-modal objective (scoring) functions. This research presents the Minimum Population Search heuristic as an alternative for solving these global unconstrained optimization problems. To determine the effectiveness of Minimum Population Search, a comparison with seven state-of-the-art search heuristics is performed. Being specifically designed for the optimization of large scale multi-modal problems, Minimum Population Search achieves excellent results on all of the tested complexes, especially when the amount of available function evaluations is strongly reduced. A first step is also made toward the design of hybrid algorithms based on the exploratory power of Minimum Population Search. Computational results show that hybridization leads to a further improvement in performance

Protein Docking by the Underestimation of Free Energy Funnels in the Space of Encounter Complexes

Similarly to protein folding, the association of two proteins is driven by a free energy funnel, determined by favorable interactions in some neighborhood of the native state. We describe a docking method based on stochastic global minimization of funnel-shaped energy functions in the space of rigid body motions (SE(3)) while accounting for flexibility of the interface side chains. The method, called semi-definite programming-based underestimation (SDU), employs a general quadratic function to underestimate a set of local energy minima and uses the resulting underestimator to bias further sampling. While SDU effectively minimizes functions with funnel-shaped basins, its application to docking in the rotational and translational space SE(3) is not straightforward due to the geometry of that space. We introduce a strategy that uses separate independent variables for side-chain optimization, center-to-center distance of the two proteins, and five angular descriptors of the relative orientations of the molecules. The removal of the center-to-center distance turns out to vastly improve the efficiency of the search, because the five-dimensional space now exhibits a well-behaved energy surface suitable for underestimation. This algorithm explores the free energy surface spanned by encounter complexes that correspond to local free energy minima and shows similarity to the model of macromolecular association that proceeds through a series of collisions. Results for standard protein docking benchmarks establish that in this space the free energy landscape is a funnel in a reasonably broad neighborhood of the native state and that the SDU strategy can generate docking predictions with less than 5 � ligand interface Ca root-mean-square deviation while achieving an approximately 20-fold efficiency gain compared to Monte Carlo methods

Scheduling and Tuning Kernels for High-performance on Heterogeneous Processor Systems

Accelerated parallel computing techniques using devices such as GPUs and Xeon Phis (along with CPUs) have proposed promising solutions of extending the cutting edge of high-performance computer systems. A significant performance improvement can be achieved when suitable workloads are handled by the accelerator. Traditional CPUs can handle those workloads not well suited for accelerators. Combination of multiple types of processors in a single computer system is referred to as a heterogeneous system. This dissertation addresses tuning and scheduling issues in heterogeneous systems. The first section presents work on tuning scientific workloads on three different types of processors: multi-core CPU, Xeon Phi massively parallel processor, and NVIDIA GPU; common tuning methods and platform-specific tuning techniques are presented. Then, analysis is done to demonstrate the performance characteristics of the heterogeneous system on different input data. This section of the dissertation is part of the GeauxDock project, which prototyped a few state-of-art bioinformatics algorithms, and delivered a fast molecular docking program. The second section of this work studies the performance model of the GeauxDock computing kernel. Specifically, the work presents an extraction of features from the input data set and the target systems, and then uses various regression models to calculate the perspective computation time. This helps understand why a certain processor is faster for certain sets of tasks. It also provides the essential information for scheduling on heterogeneous systems. In addition, this dissertation investigates a high-level task scheduling framework for heterogeneous processor systems in which, the pros and cons of using different heterogeneous processors can complement each other. Thus a higher performance can be achieve on heterogeneous computing systems. A new scheduling algorithm with four innovations is presented: Ranked Opportunistic Balancing (ROB), Multi-subject Ranking (MR), Multi-subject Relative Ranking (MRR), and Automatic Small Tasks Rearranging (ASTR). The new algorithm consistently outperforms previously proposed algorithms with better scheduling results, lower computational complexity, and more consistent results over a range of performance prediction errors. Finally, this work extends the heterogeneous task scheduling algorithm to handle power capping feature. It demonstrates that a power-aware scheduler significantly improves the power efficiencies and saves the energy consumption. This suggests that, in addition to performance benefits, heterogeneous systems may have certain advantages on overall power efficiency

Exploration of Reaction Pathways and Chemical Transformation Networks

For the investigation of chemical reaction networks, the identification of all relevant intermediates and elementary reactions is mandatory. Many algorithmic approaches exist that perform explorations efficiently and automatedly. These approaches differ in their application range, the level of completeness of the exploration, as well as the amount of heuristics and human intervention required. Here, we describe and compare the different approaches based on these criteria. Future directions leveraging the strengths of chemical heuristics, human interaction, and physical rigor are discussed.Comment: 48 pages, 4 figure

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