Publicação
Geometric modeling, simulation, and visualization methods for plasmid DNA molecules
| datacite.subject.fos | Engenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e Informática | pt_PT |
| dc.contributor.advisor | Gomes, Abel João Padrão | |
| dc.contributor.author | Raposo, Adriano Nunes | |
| dc.date.accessioned | 2016-02-25T15:25:24Z | |
| dc.date.available | 2016-02-25T15:25:24Z | |
| dc.date.issued | 2015-03 | |
| dc.description.abstract | Plasmid DNA molecules are a special type of DNA molecules that are used, among other applications, in DNA vaccination and gene therapy. These molecules are characterized by, when in their natural state, presenting a closed-circular conformation and by being supercoiled. The production of plasmid DNA using bacteria as hosts implies a purification step where the plasmid DNA molecules are separated from the DNA of the host and other contaminants. This purification process, and all the physical and chemical variations involved, such as temperature changes, may affect the plasmid DNA molecules conformation by uncoiling or even by open them, which makes them useless for therapeutic applications. Because of that, researchers are always searching for new purification techniques that maximize the amount of supercoiled plasmid DNA that is produced. Computer simulations and 3D visualization of plasmid DNA can bring many advantages because they allow researchers to actually see what can happen to the molecules under certain conditions. In this sense, it was necessary to develop reliable and accurate geometric models specific for plasmid DNA simulations. This dissertation presents a new assembling algorithm for B-DNA specifically developed for plasmid DNA assembling. This new assembling algorithm is completely adaptive in the sense that it allows researchers to assemble any plasmid DNA base-pair sequence along any arbitrary conformation that fits the length of the plasmid DNA molecule. This is specially suitable for plasmid DNA simulations, where conformations are generated by simulation procedures and there is the need to assemble the given base-pair sequence over that conformation, what can not be done by conventional predictive DNA assembling methods. Unlike traditional molecular visualization methods that are based on the atomic structure, this new assembling algorithm uses color coded 3D molecular surfaces of the nucleotides as the building blocks for DNA assembling. This new approach, not only reduces the amount of graphical objects and, consequently, makes the rendering faster, but also makes it easier to visually identify the nucleotides in the DNA strands. The algorithm used to triangulate the molecular surfaces of the nucleotides building blocks is also a novelty presented as part of this dissertation. This new triangulation algorithm for Gaussian molecular surfaces introduces a new mechanism that divides the atomic structure of molecules into boxes and spheres. This new space division method is faster because it confines the local calculation of the molecular surface to a specific region of influence of the atomic structure, not taking into account atoms that do not influence the triangulation of the molecular surface in that region. This new method also guarantees the continuity of the molecular surface. Having in mind that the aim of this dissertation is to present a complete set of methods for plasmid DNA visualization and simulation, it is also proposed a new deformation algorithm to be used for plasmid DNA Monte Carlo simulations. This new deformation algorithm uses a 3D polyline to represent the plasmid DNA conformation and performs small deformations on that polyline, keeping the segments length and connectivity. Experiments have been performed in order to compare this new deformation method with deformation methods traditionally used by Monte Carlo plasmid DNA simulations These experiments shown that the new method is more efficient in the sense that its trial acceptance ratio is higher and it converges sooner and faster to the elastic energy equilibrium state of the plasmid DNA molecule. In sum, this dissertation successfully presents an end-to-end set of models and algorithms for plasmid DNA geometric modelling, visualization and simulation. | pt_PT |
| dc.description.abstract | Plasmídeos são um tipo especial de moléculas de ADN usadas, entre outras aplicações, em vacinas de ADN e em terapia génica. Este tipo de moléculas de ADN caracteriza-se por se apresentar no seu estado natural numa conformação circular fechada e super-enrolada. A produção de ADN plasmídeo com recurso a bactérias hospedeiras implica um processo de purificação cujo objectivo é separar as moléculas de plasmídeo do ADN da bactéria hospedeira e de outros contaminantes. Este processo de purificação, e todas as alterações físico-químicas envolvidas, tais como variações de temperatura, podem originar alterações na conformação das móleculas de plasmídeo, desenrolando-as ou até mesmo fazendo-as assumir uma conformação linear aberta, o que as torna inviáveis para aplicação terapêutica. Por este motivo, os investigadores procuram novas técnicas de purificação que maximizem a quantidade de ADN plasmídeo obtida na sua conformação super-enrolada. As simulações em computador e a visualização em 3D de moléculas de ADN plasmídeo podem trazer muitas vantagens porque permitem aos investigadores prever o que poderá acontecer a determinadas moléculas deste tipo quando sujeitas a condições específicas. Assim, foi necessário desenvolver modelos geométricos fiáveis e precisos especificamente para moléculas de ADN plasmídeo. Esta dissertação apresenta um novo algoritmo desenvolvido especificamente para a construção em 3D de moléculas de ADN plasmídeo. Este novo algoritmo é totalmente adaptativo no sentido em que permite aos investigadores construir moléculas de ADN com qualquer sequência de pares de bases sobre qualquer conformação arbitrária, real ou teórica, desde que o seu comprimento seja compatível com a sequência da molécula de ADN plasmídeo. Esta capacidade é especialmente útil para simulações de ADN plasmídeo que geram conformações sobre as quais é posteriormente necessário empilhar a sequência de pares de bases da molécula, o que não é possível utilizando os convencionais métodos predictivos de construção de moléculas ADN. Ao contrário dos métodos tradicionais de visualização molecular baseados na estrutura atómica das moléculas, este novo algoritmo utiliza as superfícies moleculares tridimensionais dos nucleótidos, com uma cor diferente para cada tipo de nucleótido, como peças de construção básicas. Esta nova abordagem não só reduz a quantidade de objectos gráficos e, consequentemente, acelera a renderização, mas também torna mais fácil a identificação visual dos nucleótidos nas cadeias de ADN. O algoritmo usado para triangular as malhas das superfícies moleculares dos nucleótidos também é apresentado como novidade nesta dissertação. Este novo algoritmo para triangulação de superfícies implícitas moleculares introduz um novo mecanismo de divisão espacial da estrutura atómica em regiões de influência, acelerando assim a triangulação uma vez que não tem em conta os átomos que não influenciam a construção da superficie molecular na região em causa. Este novo método garante a continuidade da superfície molecular. Sendo o objectivo desta dissertação apresentar um conjunto completo de ferramentas integradas para visualização e simulação de ADN plasmídeo, também é apresentado um novo algoritmo de deformação da conformação deste tipo de moléculas para ser utilizado em simulações baseadas em métodos de simulação de Monte Carlo. Este novo algoritmo de deformação utiliza uma polilinha tridimensional para representar a conformação do ADN plasmídeo e efectua pequenas deformações nessa mesma polilinha, mantendo o comprimento e conectividade dos segmentos de recta que a compõem. As experiência realizadas com o objectivo de comparar este novo método de deformação com os métodos tradicionalmente usados em simulações deste tipo mostraram que o novo método é mais eficiente, isto é, a taxa de aceitação das suas conformações é mais elevada e converge mais rapidamente para o estado de equilibrio relativamente à energia elástica do ADN plasmídeo. Em suma, esta dissertação apresenta um conjunto completo de modelos e algoritmos para modelação geométrica e simulação de ADN plasmídeo. | |
| dc.identifier.tid | 101477490 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.6/4039 | |
| dc.language.iso | eng | pt_PT |
| dc.subject | Modelação geométrica de ADN | pt_PT |
| dc.subject | Simulação de ADN plasmídeo | pt_PT |
| dc.title | Geometric modeling, simulation, and visualization methods for plasmid DNA molecules | pt_PT |
| dc.type | doctoral thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| person.familyName | Raposo | |
| person.givenName | Adriano | |
| person.identifier.ciencia-id | F910-7A7C-E6DD | |
| person.identifier.orcid | 0000-0002-7432-7474 | |
| rcaap.rights | openAccess | pt_PT |
| rcaap.type | doctoralThesis | pt_PT |
| relation.isAuthorOfPublication | 954acde5-2baa-40af-b3bd-da49f0f28f60 | |
| relation.isAuthorOfPublication.latestForDiscovery | 954acde5-2baa-40af-b3bd-da49f0f28f60 | |
| thesis.degree.name | Doutoramento em Engenharia Informática | pt_PT |