78 research outputs found

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

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    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

    3D Protein structure prediction with genetic tabu search algorithm

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    Abstract Background Protein structure prediction (PSP) has important applications in different fields, such as drug design, disease prediction, and so on. In protein structure prediction, there are two important issues. The first one is the design of the structure model and the second one is the design of the optimization technology. Because of the complexity of the realistic protein structure, the structure model adopted in this paper is a simplified model, which is called off-lattice AB model. After the structure model is assumed, optimization technology is needed for searching the best conformation of a protein sequence based on the assumed structure model. However, PSP is an NP-hard problem even if the simplest model is assumed. Thus, many algorithms have been developed to solve the global optimization problem. In this paper, a hybrid algorithm, which combines genetic algorithm (GA) and tabu search (TS) algorithm, is developed to complete this task. Results In order to develop an efficient optimization algorithm, several improved strategies are developed for the proposed genetic tabu search algorithm. The combined use of these strategies can improve the efficiency of the algorithm. In these strategies, tabu search introduced into the crossover and mutation operators can improve the local search capability, the adoption of variable population size strategy can maintain the diversity of the population, and the ranking selection strategy can improve the possibility of an individual with low energy value entering into next generation. Experiments are performed with Fibonacci sequences and real protein sequences. Experimental results show that the lowest energy obtained by the proposed GATS algorithm is lower than that obtained by previous methods. Conclusions The hybrid algorithm has the advantages from both genetic algorithm and tabu search algorithm. It makes use of the advantage of multiple search points in genetic algorithm, and can overcome poor hill-climbing capability in the conventional genetic algorithm by using the flexible memory functions of TS. Compared with some previous algorithms, GATS algorithm has better performance in global optimization and can predict 3D protein structure more effectively

    Reconstructing protein structure from solvent exposure using tabu search

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    BACKGROUND: A new, promising solvent exposure measure, called half-sphere-exposure (HSE), has recently been proposed. Here, we study the reconstruction of a protein's C(α )trace solely from structure-derived HSE information. This problem is of relevance for de novo structure prediction using predicted HSE measure. For comparison, we also consider the well-established contact number (CN) measure. We define energy functions based on the HSE- or CN-vectors and minimize them using two conformational search heuristics: Monte Carlo simulation (MCS) and tabu search (TS). While MCS has been the dominant conformational search heuristic in literature, TS has been applied only a few times. To discretize the conformational space, we use lattice models with various complexity. RESULTS: The proposed TS heuristic with a novel tabu definition generally performs better than MCS for this problem. Our experiments show that, at least for small proteins (up to 35 amino acids), it is possible to reconstruct the protein backbone solely from the HSE or CN information. In general, the HSE measure leads to better models than the CN measure, as judged by the RMSD and the angle correlation with the native structure. The angle correlation, a measure of structural similarity, evaluates whether equivalent residues in two structures have the same general orientation. Our results indicate that the HSE measure is potentially very useful to represent solvent exposure in protein structure prediction, design and simulation

    Algorithms for Protein Structure Prediction

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    On the role of metaheuristic optimization in bioinformatics

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    Metaheuristic algorithms are employed to solve complex and large-scale optimization problems in many different fields, from transportation and smart cities to finance. This paper discusses how metaheuristic algorithms are being applied to solve different optimization problems in the area of bioinformatics. While the text provides references to many optimization problems in the area, it focuses on those that have attracted more interest from the optimization community. Among the problems analyzed, the paper discusses in more detail the molecular docking problem, the protein structure prediction, phylogenetic inference, and different string problems. In addition, references to other relevant optimization problems are also given, including those related to medical imaging or gene selection for classification. From the previous analysis, the paper generates insights on research opportunities for the Operations Research and Computer Science communities in the field of bioinformatics

    Optimización de algoritmos bioinspirados en sistemas heterogéneos CPU-GPU.

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    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

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

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    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

    Development of genetic algorithm for optimisation of predicted membrane protein structures

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    Due to the inherent problems with their structural elucidation in the laboratory, the computational prediction of membrane protein structure is an essential step toward understanding the function of these leading targets for drug discovery. In this work, the development of a genetic algorithm technique is described that is able to generate predictive 3D structures of membrane proteins in an ab initio fashion that possess high stability and similarity to the native structure. This is accomplished through optimisation of the distances between TM regions and the end-on rotation of each TM helix. The starting point for the genetic algorithm is from the model of general TM region arrangement predicted using the TMRelate program. From these approximate starting coordinates, the TMBuilder program is used to generate the helical backbone 3D coordinates. The amino acid side chains are constructed using the MaxSprout algorithm. The genetic algorithm is designed to represent a TM protein structure by encoding each alpha carbon atom starting position, the starting atom of the initial residue of each helix, and operates by manipulating these starting positions. To evaluate each predicted structure, the SwissPDBViewer software (incorporating the GROMOS force field software) is employed to calculate the free potential energy. For the first time, a GA has been successfully applied to the problem of predicting membrane protein structure. Comparison between newly predicted structures (tests) and the native structure (control) indicate that the developed GA approach represents an efficient and fast method for refinement of predicted TM protein structures. Further enhancement of the performance of the GA allows the TMGA system to generate predictive structures with comparable energetic stability and reasonable structural similarity to the native structure
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