Biološka koda vozlov – identifikacija vzorcev vozlanja v biomolekulah z uporabo umetne inteligence

Cilji celotnega projekta vseh treh partnerjev so sledeči:

1. Analizirati podatke AlphaFold za prepoznavanje in proučevanje vozlanih proteinov.
2. Razviti metode umetne inteligence za učinkovito zaznavanje topoloških struktur.
3. Identificirati zaporedne in strukturne vzorce, ki povzročajo vozlanje proteinov.
4. Eksperimentalno potrditi izbrane napovedane vozlane strukture proteinov.
5. Razviti nova matematična orodja za opis in klasifikacijo kompleksnih topologij.
6. Modelirati dinamiko zvijanja in vozlanja proteinov z uporabo nevronskih mrež.
7. Vzpostaviti podatkovno bazo AlphaKnot za shranjevanje in deljenje topoloških podatkov o proteinih.

Glavni cilj slovenskega dela projekta je razviti matematično ozadje za odkrivanje in razumevanje zaporedja aminokislin, odgovornih za oblikovanje netrivialnih tipov vozlov v beljakovinah. Ustvarili bomo matematične metode za preučevanje bioloških struktur in razvoj računalniških algoritmov za manipulacijo in prepoznavanje teh struktur. Natančneje:

5.1. opisali in karakterizirali bomo topološke značilnosti zavozlanih bio-struktur,

5.2. razvili bomo učinkovito notacijo zavozlanih struktur v strojno berljivi obliki,

5.3. razvili bomo metode za manipulacijo teh struktur (npr. v smislu Reidemeistrovega izreka) ter algoritme za manipulacijo in poenostavitev struktur (v programskem jeziku Python),

5.4. razvili bomo nove invariante, ki bodo učinkovito prepoznali tipe vozlov takšnih struktur (primarno bodo to invariante, ki bodo osnovane na kombinatoričnih lastnostih vloženega grafa),

5.5. analizirali bomo topološke lastnosti invariantov (na primer, ali zaznajo pravozle, kiralne vozle, reverzibilne vozle), analizirali bomo kako močne so invariante in določili časovno kompleksnost vsake izmed invariant, v primeru, da invariante teh lastnosti ne bodo zaznale, bomo uporabili še bolj napredne topološke metode (teorijo kvandlov, krovnih prostorov in kanonične triangulacije komplementarnega prostora v smislu Epstein-Penner-Weeksovega izreka),

5.6. ustvarili bomo tabele vseh teoretičnih možnih spletenih struktur. Natančneje, razširili bomo obstoječo Litherland-Moriuchijevo tabelo, kjer so razvrstili nedeljive theta-krivulje do 7 križišč v minimalni projekciji. Ustvarili bomo tudi tabele za vozle, ki vsebujejo 1, 2 in 3 vezi. S to klasifikacijo bomo lahko razločevali tudi tipe vozlov izjemno pomembnih cistinih vozlov.

Poleg tega bomo s poljsko in češko ekipo sodelovali pri pripravi podatkov za analizo: pripravili bomo sezname aminokislinskih zaporedij in izračunali podatke o njihovi strukturi za nadaljnjo topološko in strojno analizo. Sodelovali bomo tudi pri pripravi simulacij, kjer bomo analizirali dogodke, ki povzročajo vozlanje med sintezo vozlov, določili bomo tudi najmanjši možen biološki vozel.

Projekt je zaključen in v celoti realiziran.