Current state-of-the-art of the research conducted in mapping protein cavities – binding sites of bioactive compounds, peptides or other proteins

Ο σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση και αποτύπωση των ερευνητικών μελετών που αφορούν στον χαρακτηρισμό μιας πρωτεϊνικής κοιλότητας – κέντρου πρόσδεσης βιοδραστικών ενώσεων, πεπτιδίων ή άλλων πρωτεϊνών. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της βιβλιογραφικής επισκόπησης. Παρουσιάζονται τα κυριότερα ευρήματα προηγούμενων ερευνών που σχετίζονται με τη διαδικασία σχεδιασμού φαρμάκων και τον εντοπισμό φαρμακοφόρων με βάση ένα σύνολο προσδετών. Στη συνέχεια συγκρίνονται διαδικασίες επεξεργασίας και ανάλυσης της πρωτεϊνικής κοιλότητας προγενέστερων ερευνών με τη προσέγγιση που προτάθηκε από τους Παπαθανασίου και Φωτόπουλου το 2015. Αναδεικνύονται βασικά πλεονεκτήματα της προσέγγισης αυτής, όπως η εφαρμογή του αλγορίθμου πολυδιάστατη k-means ομαδοποίηση (multidimensional k-means clustering). Η εύρεση βιβλιογραφίας βασίστηκε σε αναζήτηση επιστημονικών άρθρων σε ξενόγλωσσα επιστημονικά περιοδικά, σε κεφάλαια βιβλίων και σε διάφορα άρθρα σε ηλεκτρονικούς ιστότοπους σχετικά με τον σχεδιασμό φαρμάκων και τις κοιλότητες που απαντώνται στις πρωτεΐνες. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται εν συντομία εργαλεία που εντοπίστηκαν χρησιμοποιώντας λέξεις κλειδιά όπως για παράδειγμα δυναμική πρωτεϊνικής κοιλότητας, καταλυτικό κέντρο ενός ενζύμου, πρόσδεση, πρωτεϊνική θήκη κλπ. Στη συνέχεια συγκροτήθηκε κατάλογος με τα εργαλεία βιοπληροφορικής ανάλυσης που βρέθηκαν και ακολούθησε εκτενής αναφορά επιλεκτικά σε κάποια από αυτά. Κριτήριο επιλογής αυτών των εργαλείων αποτέλεσε η ημερομηνία δημοσίευσής τους, οι αλγόριθμοι και η μεθοδολογία που χρησιμοποιούν. Τα εργαλεία αυτά κατηγοριοποιήθηκαν με βάση τις λέξεις κλειδιά που χρησιμοποιήθηκαν για την εξόρυξη των δεδομένων από την βιβλιογραφία. Τέλος πραγματοποιήθηκε συγκριτική μελέτη αυτών αναδεικνύοντας τα πλεονεκτήματα και εστιάζοντας στην περαιτέρω αξιοποίησή τους.The aim of this thesis was to report on the current state-of-the-art of the research conducted concerning mapping of protein cavities with a potential function role as binding sites of bioactive compounds, peptides or other proteins. A literature review was performed with emphasis on the relevant tools developed during the last decade. In addition, the main research findings regarding drug design and druggable targets based on binding sites are presented. Processes performed in protein cavity detection and analysis, of previous research articles, are compared with the approach described by Anaxagoras Fotopoulos and Athanasios Papathanasiou (2015). The results showed that a competitive advantage of their approach is the multidimensional k-means algorithm for clustering. For the bibliographic review the scientific knowledgebase has been used, which includes international articles and journals, book chapters, as well as online articles regarding drug design and protein cavity. Search keywords such as protein cavity dynamics, catalytic sites of enzymes, protein pocket etc. were used to identify bioinformatics tools with text mining. A catalogue of the most recently developed tools is presented followed by a brief description of selected tools. The selection criteria imposed for preparing the catalogue and the detailed description included the publication date, as well as the algorithms and the methods they use. The tools were then classified according to the search keywords. The findings of this research are discussed, and the algorithms and methods they use are compared, highlighting the advantages of protein cavity detection