Analysis and development of algorithms for the characterizations of biopolymers and application to the protein sequencing and protein folding

Resumen

Este trabajo se ha centrado en dos principales lineas de investigación que intentan abordar el complejo problema de la caracterización de las proteínas, con principal enfoque a la secuenciación y al plegamiento de estas moléculas, utilizando instrumentos teóricos propios de la mecánica estadística y el desarrollo de algoritmos de simulación numérica. En la primera parte del trabajo se ha implementado un algoritmo que caracteriza estadisticamente los diferentes iones basándose en sus naturaleza y estado. A partir de un conjunto de espectros de masa de los cuales conocemos la secuencia de aminoácidos que los produjo, hemos aprendido la distribución de los iones y del ruido en el espectro. Luego, utilizando métodos bayesianos hemos escrito una función coste basada en estas distribuciones. El tamaño del espacio de las secuencias de aminoácidos impide inspeccionar una a una todas las secuencias posibles, sin embargo es posible mapear el problema en la búsqueda del equilibrio termodinámico, en baja temperatura, de un sistema unidimensional, para el que se puede resolver el problema exactamente, a través de la técnica de la matriz de transferencia. En la segunda parte nos hemos centrado en la caracterización de la proteínas miotrofina, a través de un simple modelo estadístico de tipo Go, el modelo Wako-Saito-Muñoz-Eaton. Este es un modelo que recuerda el modelo de Ising incluyendo enlaces a larga distancia y admite una solución exacta en el caso del equilibrio. Con este modelo hemos podido caracterizar el equilibrio (con solución exacta) y la cinética del plegamiento, esta última con una simulación de tipo Monte Carlo sobre un conjunto de copias de la misma molécula, reproduciendo cualitativamente los resultados experimentales de cooperatividad (en el equilibrio y en la cinética) y de heterogeneidad de caminos a lo largo del proceso de plegamiento. Dado el alto grado de control sobre las simulaciones se ha podido caracterizar con muchos detalles los procesos cinéticos de cada molécula llegando a sugerir la posibilidad que, a diferencia de lo normalmente aceptado, procesos de plegamiento y desplegamiento de estos polímeros no sean necesariamente simétricos.