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

Parallel multi-objective algorithms for the molecular docking problem

International audienceMolecular docking is an essential tool for drug design. It helps the scientist to rapidly know if two molecules, respectively called ligand and receptor, can be combined together to obtain a stable complex. We propose a new multi-objective model combining an energy term and a surface term to gain such complexes. The aim of our model is to provide complexes with a low energy and low surface. This model has been validated with two multi-objective genetic algorithms on instances from the literature dedicated to the docking benchmarking

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

Gradient based optimization in ligand-receptor docking

In this work, we compared six global search heuristics and two scoring functions in the field of ligand-receptor docking. A new way for the gradient based minimization of a ligand whose position in space is defined by translation, orientation and a set of torsional flexible angles was implemented and thoroughly tested. The default local search method of a Lamarckian genetic algorithm was replaced by our novel gradient based approach and the new hybrid was compared to non-gradient global search heuristics. Finally, we present our docking program BALLDock, in which we incorporated our findings.In der vorliegenden Arbeit wurden sechs populationsbasierte Optmierungsheuristiken und zwei Scoring-Funktionen im Hinblick auf ihre Leistungsfähigkeit im Bereich Ligand-Rezeptor Docking miteinander verglichen. Parallel dazu wurde eine neuer Ansatz entwickelt, der die lokale, gradientenbasierte Optimierung partiell flexibler Moleküle, deren Position und Konformation durch Translation, Orientierung und eine Anzahl flexibler Bindungswinkel definiert ist, erlaubt. Danach wurde die gradientenfreie Methode zur lokalen Optimierung eines Lamarck genetischen Algorithmus durch das neuartige gradientbasierte Verfahren ersetzt und dessen Einfluss auf die Ergebnisse der globalen Suchheuristik analysiert. Abschließend wird das Dockingprogramm BALLDock vorgestellt, in das die neu gewonnenen Erkenntnisse einflossen

Constrained optimization applied to multiscale integrative modeling

Multiscale integrative modeling stands at the intersection between experimental and computational techniques to predict the atomistic structures of important macromolecules. In the integrative modeling process, the experimental information is often integrated with energy potential and macromolecular substructures in order to derive realistic structural models. This heterogeneous information is often combined into a global objective function that quantifies the quality of the structural models and that is minimized through optimization. In order to balance the contribution of the relative terms concurring to the global function, weight constants are assigned to each term through a computationally demanding process. In order to alleviate this common issue, we suggest to switch from the traditional paradigm of using a single unconstrained global objective function to a constrained optimization scheme. The work presented in this thesis describes the different applications and methods associated with the development of a general constrained optimization protocol for multiscale integrative modeling. The initial implementation concerned the prediction of symmetric macromolecular assemblies throught the incorporation of a recent efficient constrained optimizer nicknamed mViE (memetic Viability Evolution) to our integrative modeling protocol power (parallel optimization workbench to enhance resolution). We tested this new approach through rigorous comparisons against other state-of-the-art integrative modeling methods on a benchmark set of solved symmetric macromolecular assemblies. In this process, we validated the robustness of the constrained optimization method by obtaining native-like structural models. This constrained optimization protocol was then applied to predict the structure of the elusive human Huntingtin protein. Due to the fact that little structural information was available when the project was initiated, we integrated information from secondary structure prediction and low-resolution experiments, in the form of cryo-electron microscopy maps and crosslinking mass spectrometry data, in order to derive a structural model of Huntingtin. The structure resulting from such integrative modeling approach was used to derive dynamic information about Huntingtin protein. At a finer level of resolution, the constrained optimization protocol was then applied to dock small molecules inside the binding site of protein targets. We converted the classical molecular docking problem from an unconstrained single objective optimization to a constrained one by extracting local and global constraints from pre-computed energy grids. The new approach was tested and validated on standard ligand-receptor benchmark sets widely used by the molecular docking community, and showed comparable results to state-of-the-art molecular docking programs. Altogether, the work presented in this thesis proposed improvements in the field of multiscale integrative modeling which are reflected both in the quality of the models returned by the new constrained optimization protocol and in the simpler way of treating the uncorrelated terms concurring to the global scoring scheme to estimate the quality of the models

Investigation of Cyclobenzaprine Interactions with P450 Cytochromes CYP1A2 and CYP3A4 through Molecular Docking Tools

Cyclobenzaprine (CBP) is a centrally acting muscle relaxant whose myriad of therapeutic applications imply the need of better understanding its pharmacokinetics and thermodynamics. Henceforth, this work was concerned with an in silico investigation of CBP main metabolizers in the human organism, namely CYP1A2 and CYP3A4. For this purpose, computational methods were employed, such as molecular docking and other semi-empirical approaches. Results evidenced that the model herein depicted for CBP-CYP1A2 may not reproducibly represent the physiological interaction between CBP and this enzyme. Moreover, CBP-CYP3A4 docking results evidence thermodynamic feasibility of the molecular docking model and were further corroborated by literature, what may reproducibly represent a possible interaction between CBP and this macromolecule

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

Faculty of Mathematics and Science 1st Graduate Research Day Conference, 2022

FMS Graduate Research Day (FMS GRaD) is an academic conference open to all FMS students with a mandate to celebrate and communicate Brock University research and teaching. The FMS GRaD 2022 conference was hosted by the Dean’s office of the Faculty of Mathematics and Science and Graduate Mathematics and Science Society at Brock University. With 57 presenters and over 300 attendees this first FMS GRaD held on September 16th 2022 strengthened the STEM research community and highlight the research and profile of FMS graduate student research programs