Visual and computational analysis of structure-activity relationships in high-throughput screening data

Novel analytic methods are required to assimilate the large volumes of structural and bioassay data generated by combinatorial chemistry and high-throughput screening programmes in the pharmaceutical and agrochemical industries. This paper reviews recent work in visualisation and data mining that can be used to develop structure-activity relationships from such chemical/biological datasets

The Parallelism Motifs of Genomic Data Analysis

Genomic data sets are growing dramatically as the cost of sequencing continues to decline and small sequencing devices become available. Enormous community databases store and share this data with the research community, but some of these genomic data analysis problems require large scale computational platforms to meet both the memory and computational requirements. These applications differ from scientific simulations that dominate the workload on high end parallel systems today and place different requirements on programming support, software libraries, and parallel architectural design. For example, they involve irregular communication patterns such as asynchronous updates to shared data structures. We consider several problems in high performance genomics analysis, including alignment, profiling, clustering, and assembly for both single genomes and metagenomes. We identify some of the common computational patterns or motifs that help inform parallelization strategies and compare our motifs to some of the established lists, arguing that at least two key patterns, sorting and hashing, are missing

Machine learning-guided directed evolution for protein engineering

Machine learning (ML)-guided directed evolution is a new paradigm for biological design that enables optimization of complex functions. ML methods use data to predict how sequence maps to function without requiring a detailed model of the underlying physics or biological pathways. To demonstrate ML-guided directed evolution, we introduce the steps required to build ML sequence-function models and use them to guide engineering, making recommendations at each stage. This review covers basic concepts relevant to using ML for protein engineering as well as the current literature and applications of this new engineering paradigm. ML methods accelerate directed evolution by learning from information contained in all measured variants and using that information to select sequences that are likely to be improved. We then provide two case studies that demonstrate the ML-guided directed evolution process. We also look to future opportunities where ML will enable discovery of new protein functions and uncover the relationship between protein sequence and function.Comment: Made significant revisions to focus on aspects most relevant to applying machine learning to speed up directed evolutio

Virtual screening of potential bioactive substances using the support vector machine approach

Die vorliegende Dissertation stellt eine kumulative Arbeit dar, die in insgesamt acht wissenschaftlichen Publikationen (fünf publiziert, zwei eingerichtet und eine in Vorbereitung) dargelegt ist. In diesem Forschungsprojekt wurden Anwendungen von maschinellem Lernen für das virtuelle Screening von Moleküldatenbanken durchgeführt. Das Ziel war primär die Einführung und Überprüfung des Support-Vector-Machine (SVM) Ansatzes für das virtuelle Screening nach potentiellen Wirkstoffkandidaten. In der Einleitung der Arbeit ist die Rolle des virtuellen Screenings im Wirkstoffdesign beschrieben. Methoden des virtuellen Screenings können fast in jedem Bereich der gesamten pharmazeutischen Forschung angewendet werden. Maschinelles Lernen kann einen Einsatz finden von der Auswahl der ersten Moleküle, der Optimierung der Leitstrukturen bis hin zur Vorhersage von ADMET (Absorption, Distribution, Metabolism, Toxicity) Eigenschaften. In Abschnitt 4.2 werden möglichen Verfahren dargestellt, die zur Beschreibung von chemischen Strukturen eingesetzt werden können, um diese Strukturen in ein Format zu bringen (Deskriptoren), das man als Eingabe für maschinelle Lernverfahren wie Neuronale Netze oder SVM nutzen kann. Der Fokus ist dabei auf diejenigen Verfahren gerichtet, die in der vorliegenden Arbeit verwendet wurden. Die meisten Methoden berechnen Deskriptoren, die nur auf der zweidimensionalen (2D) Struktur basieren. Standard-Beispiele hierfür sind physikochemische Eigenschaften, Atom- und Bindungsanzahl etc. (Abschnitt 4.2.1). CATS Deskriptoren, ein topologisches Pharmakophorkonzept, sind ebenfalls 2D-basiert (Abschnitt 4.2.2). Ein anderer Typ von Deskriptoren beschreibt Eigenschaften, die aus einem dreidimensionalen (3D) Molekülmodell abgeleitet werden. Der Erfolg dieser Beschreibung hangt sehr stark davon ab, wie repräsentativ die 3D-Konformation ist, die für die Berechnung des Deskriptors angewendet wurde. Eine weitere Beschreibung, die wir in unserer Arbeit eingesetzt haben, waren Fingerprints. In unserem Fall waren die verwendeten Fingerprints ungeeignet zum Trainieren von Neuronale Netzen, da der Fingerprintvektor zu viele Dimensionen (~ 10 hoch 5) hatte. Im Gegensatz dazu hat das Training von SVM mit Fingerprints funktioniert. SVM hat den Vorteil im Vergleich zu anderen Methoden, dass sie in sehr hochdimensionalen Räumen gut klassifizieren kann. Dieser Zusammenhang zwischen SVM und Fingerprints war eine Neuheit, und wurde von uns erstmalig in die Chemieinformatik eingeführt. In Abschnitt 4.3 fokussiere ich mich auf die SVM-Methode. Für fast alle Klassifikationsaufgaben in dieser Arbeit wurde der SVM-Ansatz verwendet. Ein Schwerpunkt der Dissertation lag auf der SVM-Methode. Wegen Platzbeschränkungen wurde in den beigefügten Veröffentlichungen auf eine detaillierte Beschreibung der SVM verzichtet. Aus diesem Grund wird in Abschnitt 4.3 eine vollständige Einführung in SVM gegeben. Darin enthalten ist eine vollständige Diskussion der SVM Theorie: optimale Hyperfläche, Soft-Margin-Hyperfläche, quadratische Programmierung als Technik, um diese optimale Hyperfläche zu finden. Abschnitt 4.3 enthält auch eine Diskussion von Kernel-Funktionen, welche die genaue Form der optimalen Hyperfläche bestimmen. In Abschnitt 4.4 ist eine Einleitung in verschiede Methoden gegeben, die wir für die Auswahl von Deskriptoren genutzt haben. In diesem Abschnitt wird der Unterschied zwischen einer „Filter“- und der „Wrapper“-basierten Auswahl von Deskriptoren herausgearbeitet. In Veröffentlichung 3 (Abschnitt 7.3) haben wir die Vorteile und Nachteile von Filter- und Wrapper-basierten Methoden im virtuellen Screening vergleichend dargestellt. Abschnitt 7 besteht aus den Publikationen, die unsere Forschungsergebnisse enthalten. Unsere erste Publikation (Veröffentlichung 1) war ein Übersichtsartikel (Abschnitt 7.1). In diesem Artikel haben wir einen Gesamtüberblick der Anwendungen von SVM in der Bio- und Chemieinformatik gegeben. Wir diskutieren Anwendungen von SVM für die Gen-Chip-Analyse, die DNASequenzanalyse und die Vorhersage von Proteinstrukturen und Proteininteraktionen. Wir haben auch Beispiele beschrieben, wo SVM für die Vorhersage der Lokalisation von Proteinen in der Zelle genutzt wurden. Es wird dabei deutlich, dass SVM im Bereich des virtuellen Screenings noch nicht verbreitet war. Um den Einsatz von SVM als Hauptmethode unserer Forschung zu begründen, haben wir in unserer nächsten Publikation (Veröffentlichung 2) (Abschnitt 7.2) einen detaillierten Vergleich zwischen SVM und verschiedenen neuronalen Netzen, die sich als eine Standardmethode im virtuellen Screening etabliert haben, durchgeführt. Verglichen wurde die Trennung von wirstoffartigen und nicht-wirkstoffartigen Molekülen („Druglikeness“-Vorhersage). Die SVM konnte 82% aller Moleküle richtig klassifizieren. Die Klassifizierung war zudem robuster als mit dreilagigen feedforward-ANN bei der Verwendung verschiedener Anzahlen an Hidden-Neuronen. In diesem Projekt haben wir verschiedene Deskriptoren zur Beschreibung der Moleküle berechnet: Ghose-Crippen Fragmentdeskriptoren [86], physikochemische Eigenschaften [9] und topologische Pharmacophore (CATS) [10]. Die Entwicklung von weiteren Verfahren, die auf dem SVM-Konzept aufbauen, haben wir in den Publikationen in den Abschnitten 7.3 und 7.8 beschrieben. Veröffentlichung 3 stellt die Entwicklung einer neuen SVM-basierten Methode zur Auswahl von relevanten Deskriptoren für eine bestimmte Aktivität dar. Eingesetzt wurden die gleichen Deskriptoren wie in dem oben beschriebenen Projekt. Als charakteristische Molekülgruppen haben wir verschiedene Untermengen der COBRA Datenbank ausgewählt: 195 Thrombin Inhibitoren, 226 Kinase Inhibitoren und 227 Faktor Xa Inhibitoren. Es ist uns gelungen, die Anzahl der Deskriptoren von ursprünglich 407 auf ungefähr 50 zu verringern ohne signifikant an Klassifizierungsgenauigkeit zu verlieren. Unsere Methode haben wir mit einer Standardmethode für diese Anwendung verglichen, der Kolmogorov-Smirnov Statistik. Die SVM-basierte Methode erwies sich hierbei in jedem betrachteten Fall als besser als die Vergleichsmethoden hinsichtlich der Vorhersagegenauigkeit bei der gleichen Anzahl an Deskriptoren. Eine ausführliche Beschreibung ist in Abschnitt 4.4 gegeben. Dort sind auch verschiedene „Wrapper“ für die Deskriptoren-Auswahl beschrieben. Veröffentlichung 8 beschreibt die Anwendung von aktivem Lernen mit SVM. Die Idee des aktiven Lernens liegt in der Auswahl von Molekülen für das Lernverfahren aus dem Bereich an der Grenze der verschiedenen zu unterscheidenden Molekülklassen. Auf diese Weise kann die lokale Klassifikation verbessert werden. Die folgenden Gruppen von Moleküle wurden genutzt: ACE (Angiotensin converting enzyme), COX2 (Cyclooxygenase 2), CRF (Corticotropin releasing factor) Antagonisten, DPP (Dipeptidylpeptidase) IV, HIV (Human immunodeficiency virus) protease, Nuclear Receptors, NK (Neurokinin receptors), PPAR (peroxisome proliferator-activated receptor), Thrombin, GPCR und Matrix Metalloproteinasen. Aktives Lernen konnte die Leistungsfähigkeit des virtuellen Screenings verbessern, wie sich in dieser retrospektiven Studie zeigte. Es bleibt abzuwarten, ob sich das Verfahren durchsetzen wird, denn trotzt des Gewinns an Vorhersagegenauigkeit ist es aufgrund des mehrfachen SVMTrainings aufwändig. Die Publikationen aus den Abschnitten 7.5, 7.6 und 7.7 (Veröffentlichungen 5-7) zeigen praktische Anwendungen unserer SVM-Methoden im Wirkstoffdesign in Kombination mit anderen Verfahren, wie der Ähnlichkeitssuche und neuronalen Netzen zur Eigenschaftsvorhersage. In zwei Fällen haben wir mit dem Verfahren neuartige Liganden für COX-2 (cyclooxygenase 2) und dopamine D3/D2 Rezeptoren gefunden. Wir konnten somit klar zeigen, dass SVM-Methoden für das virtuelle Screening von Substanzdatensammlungen sinnvoll eingesetzt werden können. Es wurde im Rahmen der Arbeit auch ein schnelles Verfahren zur Erzeugung großer kombinatorischer Molekülbibliotheken entwickelt, welches auf der SMILES Notation aufbaut. Im frühen Stadium des Wirstoffdesigns ist es wichtig, eine möglichst „diverse“ Gruppe von Molekülen zu testen. Es gibt verschiedene etablierte Methoden, die eine solche Untermenge auswählen können. Wir haben eine neue Methode entwickelt, die genauer als die bekannte MaxMin-Methode sein sollte. Als erster Schritt wurde die „Probability Density Estimation“ (PDE) für die verfügbaren Moleküle berechnet. [78] Dafür haben wir jedes Molekül mit Deskriptoren beschrieben und die PDE im N-dimensionalen Deskriptorraum berechnet. Die Moleküle wurde mit dem Metropolis Algorithmus ausgewählt. [87] Die Idee liegt darin, wenige Moleküle aus den Bereichen mit hoher Dichte auszuwählen und mehr Moleküle aus den Bereichen mit niedriger Dichte. Die erhaltenen Ergebnisse wiesen jedoch auf zwei Nachteile hin. Erstens wurden Moleküle mit unrealistischen Deskriptorwerten ausgewählt und zweitens war unser Algorithmus zu langsam. Dieser Aspekt der Arbeit wurde daher nicht weiter verfolgt. In Veröffentlichung 6 (Abschnitt 7.6) haben wir in Zusammenarbeit mit der Molecular-Modeling Gruppe von Aventis-Pharma Deutschland (Frankfurt) einen SVM-basierten ADME Filter zur Früherkennung von CYP 2C9 Liganden entwickelt. Dieser nichtlineare SVM-Filter erreichte eine signifikant höhere Vorhersagegenauigkeit (q2 = 0.48) als ein auf den gleichen Daten entwickelten PLS-Modell (q2 = 0.34). Es wurden hierbei Dreipunkt-Pharmakophordeskriptoren eingesetzt, die auf einem dreidimensionalen Molekülmodell aufbauen. Eines der wichtigen Probleme im computerbasierten Wirkstoffdesign ist die Auswahl einer geeigneten Konformation für ein Molekül. Wir haben versucht, SVM auf dieses Problem anzuwenden. Der Trainingdatensatz wurde dazu mit jeweils mehreren Konformationen pro Molekül angereichert und ein SVM Modell gerechnet. Es wurden anschließend die Konformationen mit den am schlechtesten vorhergesagten IC50 Wert aussortiert. Die verbliebenen gemäß dem SVM-Modell bevorzugten Konformationen waren jedoch unrealistisch. Dieses Ergebnis zeigt Grenzen des SVM-Ansatzes auf. Wir glauben jedoch, dass weitere Forschung auf diesem Gebiet zu besseren Ergebnissen führen kann

Applications of Support Vector Machines as a Robust tool in High Throughput Virtual Screening

Chemical space is enormously huge but not all of it is pertinent for the drug designing. Virtual screening methods act as knowledge-based filters to discover the coveted novel lead molecules possessing desired pharmacological properties. Support Vector Machines (SVM) is a reliable virtual screening tool for prioritizing molecules with the required biological activity and minimum toxicity. It has to its credit inherent advantages such as support for noisy data mainly coming from varied high-throughput biological assays, high sensitivity, specificity, prediction accuracy and reduction in false positives. SVM-based classification methods can efficiently discriminate inhibitors from non-inhibitors, actives from inactives, toxic from non-toxic and promiscuous from non-promiscuous molecules. As the principles of drug design are also applicable for agrochemicals, SVM methods are being applied for virtual screening for pesticides too. The current review discusses the basic kernels and models used for binary discrimination and also features used for developing SVM-based scoring functions, which will enhance our understanding of molecular interactions. SVM modeling has also been compared by many researchers with other statistical methods such as Artificial Neural Networks, k-nearest neighbour (kNN), decision trees, partial least squares, etc. Such studies have also been discussed in this review. Moreover, a case study involving the use of SVM method for screening molecules for cancer therapy has been carried out and the preliminary results presented here indicate that the SVM is an excellent classifier for screening the molecules

Evolutionary Computation and QSAR Research

[Abstract] The successful high throughput screening of molecule libraries for a specific biological property is one of the main improvements in drug discovery. The virtual molecular filtering and screening relies greatly on quantitative structure-activity relationship (QSAR) analysis, a mathematical model that correlates the activity of a molecule with molecular descriptors. QSAR models have the potential to reduce the costly failure of drug candidates in advanced (clinical) stages by filtering combinatorial libraries, eliminating candidates with a predicted toxic effect and poor pharmacokinetic profiles, and reducing the number of experiments. To obtain a predictive and reliable QSAR model, scientists use methods from various fields such as molecular modeling, pattern recognition, machine learning or artificial intelligence. QSAR modeling relies on three main steps: molecular structure codification into molecular descriptors, selection of relevant variables in the context of the analyzed activity, and search of the optimal mathematical model that correlates the molecular descriptors with a specific activity. Since a variety of techniques from statistics and artificial intelligence can aid variable selection and model building steps, this review focuses on the evolutionary computation methods supporting these tasks. Thus, this review explains the basic of the genetic algorithms and genetic programming as evolutionary computation approaches, the selection methods for high-dimensional data in QSAR, the methods to build QSAR models, the current evolutionary feature selection methods and applications in QSAR and the future trend on the joint or multi-task feature selection methods.Instituto de Salud Carlos III, PIO52048Instituto de Salud Carlos III, RD07/0067/0005Ministerio de Industria, Comercio y Turismo; TSI-020110-2009-53)Galicia. Consellería de Economía e Industria; 10SIN105004P

NOVEL ALGORITHMS AND TOOLS FOR LIGAND-BASED DRUG DESIGN

Computer-aided drug design (CADD) has become an indispensible component in modern drug discovery projects. The prediction of physicochemical properties and pharmacological properties of candidate compounds effectively increases the probability for drug candidates to pass latter phases of clinic trials. Ligand-based virtual screening exhibits advantages over structure-based drug design, in terms of its wide applicability and high computational efficiency. The established chemical repositories and reported bioassays form a gigantic knowledgebase to derive quantitative structure-activity relationship (QSAR) and structure-property relationship (QSPR). In addition, the rapid advance of machine learning techniques suggests new solutions for data-mining huge compound databases. In this thesis, a novel ligand classification algorithm, Ligand Classifier of Adaptively Boosting Ensemble Decision Stumps (LiCABEDS), was reported for the prediction of diverse categorical pharmacological properties. LiCABEDS was successfully applied to model 5-HT1A ligand functionality, ligand selectivity of cannabinoid receptor subtypes, and blood-brain-barrier (BBB) passage. LiCABEDS was implemented and integrated with graphical user interface, data import/export, automated model training/ prediction, and project management. Besides, a non-linear ligand classifier was proposed, using a novel Topomer kernel function in support vector machine. With the emphasis on green high-performance computing, graphics processing units are alternative platforms for computationally expensive tasks. A novel GPU algorithm was designed and implemented in order to accelerate the calculation of chemical similarities with dense-format molecular fingerprints. Finally, a compound acquisition algorithm was reported to construct structurally diverse screening library in order to enhance hit rates in high-throughput screening

Dagstuhl Reports : Volume 1, Issue 2, February 2011

Online Privacy: Towards Informational Self-Determination on the Internet (Dagstuhl Perspectives Workshop 11061) : Simone Fischer-Hübner, Chris Hoofnagle, Kai Rannenberg, Michael Waidner, Ioannis Krontiris and Michael Marhöfer Self-Repairing Programs (Dagstuhl Seminar 11062) : Mauro Pezzé, Martin C. Rinard, Westley Weimer and Andreas Zeller Theory and Applications of Graph Searching Problems (Dagstuhl Seminar 11071) : Fedor V. Fomin, Pierre Fraigniaud, Stephan Kreutzer and Dimitrios M. Thilikos Combinatorial and Algorithmic Aspects of Sequence Processing (Dagstuhl Seminar 11081) : Maxime Crochemore, Lila Kari, Mehryar Mohri and Dirk Nowotka Packing and Scheduling Algorithms for Information and Communication Services (Dagstuhl Seminar 11091) Klaus Jansen, Claire Mathieu, Hadas Shachnai and Neal E. Youn