Кіріспе
Тәуелсіз айнымалылар жиынтығында функцияны азайту алгоритмі (DEE) - тәуелсіз айнымалылардың дискретті жиынтығында функцияны азайту әдісі. Негізгі идеясы - "бұзу жолдарды" анықтау, яғни жаһандық минимумды анықтау үшін қажет емес айнымалылардың комбинацияларын анықтау, өйткені мұндай комбинацияны жақсы немесе баламалы бірімен ауыстырудың әрқашан жолы бар. Содан кейін біз мұндай комбинацияларды одан әрі іздеуден аулақ боламыз. Сондықтан, тұйық жолды жою - динамикалық бағдарламалаудың айналымы, онда "жақсы" комбинациялар анықталады және одан әрі зерттеледі. Әдістің өзі жалпыға ортақ болғанымен, ол негізінен ақуыздардың құрылымын болжау және жобалау мәселелеріне арналған. Бұл шектеуді қанағаттандыру мәселесінде орнын ауыстыру деп аталатын оптимизацияда үстемдік ету түсінігімен тығыз байланысты. Мүгедекті жою теоремасының бастапқы сипаттамасы мен дәлелін табуға болады .
The dead end elimination algorithm (DEE) is a method for minimizing a function over a discrete set of independent variables. The basic idea is to identify "dead ends", i. e., combinations of variables that are not necessary to define a global minimum because there is always a way of replacing such combination by a better or equivalent one. Then we can refrain from searching such combinations further. Hence, dead end elimination is a mirror image of dynamic programming, in which "good" combinations are identified and explored further. Although the method itself is general, it has been developed and applied mainly to the problems of predicting and designing the structures of proteins. It closely related to the notion of dominance in optimization also known as substitutability in a Constraint Satisfaction Problem. The original description and proof of the dead end elimination theorem can be found in .
Белок құрылымын болжау үшін қолдану
Белсенді белдіктің тірек құрылымындағы бүйірлік тізбектердің құрылымын болжау үшін энергия функциясын азайту үшін мерт нүктелік жою тиімді қолданылды. Бүйірлік тізбектердің диэдрлік бұрышты іздеу кеңістігі ақуыздағы әр аминқышқыл позициясы үшін ротамерлердің дискретті жиынтығына шектеледі (бұл, әрине, белгіленген ұзындықта). Бастапқы DEE сипаттамасында бір ротамерлерді және ротамерлік жұптарды жою критерийлері қамтылған, бірақ бұл кеңейтілуі мүмкін. Келесі талқылауда ақуыздың ұзындығы болсын және бүйірлік тізбектің ротамерін білдірсін. Белсенің атомдары өзара әрекеттесуі екі дене потенциалымен ғана жүзеге асады деп есептелетіндіктен, энергияны былай жазуға болады: "Where" - белгілі бір ротамердің "өз энергиясын" білдіреді, ал "парлық энергия" ротамерлердің "паралық энергиясын" білдіреді. Сонымен қатар, (яғни ротамер мен оның арасындағы парлық энергия) нөлге тең деп қабылданады, сондықтан жиынтықтауға әсер етпейді. Бұл белгілер төмендегі жұптар критерийінің сипаттамасын жеңілдетеді.
Where represents the "self energy" of a particular rotamer , and represents the "pair energy" of the rotamers
Also note that (that is, the pair energy between a rotamer and itself) is taken to be zero, and thus does not affect the summations. This notation simplifies the description of the pairs criterion below.
Жеке ойындардан шығу критерийлері
Егер бүйірлік тізбектің белгілі бір ротаторы сол бүйірлік тізбектің басқа ротаторынан жақсы энергия бере алмаса, онда ротатор А-ны одан әрі қараудан алып тастауға болады, бұл іздеу кеңістігін азайтады. Математикалық тұрғыдан бұл жағдай теңсіздікпен көрсетіледі, онда жақтау тізбегінің ротаторы мен жақтау тізбегінің кез келген X ротаторы арасындағы ең төменгі (ең жақсы) энергия. Сол сияқты, жақтау тізбегінің ротаторы мен жақтау тізбегінің кез келген X ротаторы арасындағы ең жоғары (ең нашар) энергия .
where is the minimum (best) energy possible between rotamer of sidechain and any rotamer X of side chain Similarly, is the maximum (worst) energy possible between rotamer of sidechain and any rotamer X of side chain .
Жұптарды жою критерийі
Жұптар критерийін сипаттау және іске асыру қиын, бірақ ол едәуір жою күшін қосады. Қысқалық үшін біз қысқаша өзгермелі анықтауымызды береміз, ол - бір жұп ротамерлердің және орындарында және , сәйкесінше, берілген ротамерлер жұбы және орындарында және , сәйкесінше, екеуі де соңғы шешімде бола алмайды (егерде бір немесе басқа болуы мүмкін) егер басқа жұп болса және ол әрқашан жақсы энергия береді. Математикалық түрде , , және .
A given pair of rotamers and at positions and , respectively, cannot both be in the final solution (although one or the other may be) if there is another pair and that always gives a better energy. Expressed mathematically,
where , and .
Энергиялық матрицалар
Үлкен үшін, алдын ала есептелген энергиялардың матрицасын сақтау қымбатқа түседі. Жоғарыда көрсетілгендей, амин қышқылдарының позициялары саны болсын және әрбір позицияда ротамерлер саны болсын (бұл әдетте, бірақ міндетті емес, барлық позициялар бойынша тұрақты). Берілген позиция үшін әрбір өзіндік энергия матрицасы жазуларды қажет етеді, сондықтан жеке энергияның жалпы саны екі позиция арасындағы әрбір жұп энергия матрицасы және , әр позициядағы дискретті ротаторлар үшін матрица қажет. Бұл азайтылмаған жұп матрицасындағы жазбалардың жалпы санын құрайды. Бұл іске асырудағы қосымша күрделілік есебінен біршама қысқартылуы мүмкін, өйткені жұп энергиясы симметриялық және ротатор мен оның арасындағы жұп энергиясы нөл.
Орындау және тиімділік
Жоғарыда аталған екі критерий әдетте конвергенцияға дейін қайталана қолданылады, бұл бұдан былай ротамерлер немесе жұптарды жою мүмкін емес нүкте ретінде анықталады. Бұл әдетте үлгіні сандық санды азайту болғандықтан, осы төменгі жиынтыққа ең аз санды анықтау үшін қарапайым санау жеткілікті болады. Осы модельді ескере отырып, DEE алгоритмінің оңтайлы шешім табуға кепілдік берілгені анық; яғни бұл жаһандық оңтайландыру процесі. Бір ротамерді іздеу ротамерлердің жалпы санымен уақыт бойынша квадраттық масштабталады. Жұптарды іздеу кубикалық масштабталады және алгоритмнің ең баяу бөлігі болып табылады (энергия есептеулерін қоспағанда). Бұл ірі күштерді санаудан күрт жақсару, ол DEE-нің ірі масштабтағы эталонды протеин құрылымын болжау мен жобалаудың баламалы әдістерімен салыстырғанда DEE ақуыз ұзындығы үшін оңтайлы шешімге сенімді түрде қосылатынын анықтайды. Ол қарастырылып отырған баламалардан айтарлықтай артық, бұл орташа өріс теориясынан, генетикалық алгоритмдерден және Монте-Карло әдісінен алынған әдістерді қамтиды. Алайда, басқа алгоритмдер ДЭЭ-ге қарағанда айтарлықтай жылдам және сондықтан үлкен және күрделі проблемаларға қолдануға болады; олардың салыстырмалы дәлдігі ДЭЭ-ге қол жетімді проблемалар аясындағы ДЭЭ шешімін салыстыру арқылы экстраполяциялануы мүмкін.
A large scale benchmark of DEE compared with alternative methods of protein structure prediction and design finds that DEE reliably converges to the optimal solution for protein lengths for which it runs in a reasonable amount of time. It significantly outperforms the alternatives under consideration, which involved techniques derived from mean field theory, genetic algorithms, and the Monte Carlo method. However, the other algorithms are appreciably faster than DEE and thus can be applied to larger and more complex problems; their relative accuracy can be extrapolated from a comparison to the DEE solution within the scope of problems accessible to DEE.
Белоктың құрылысы
Алдыңғы талқылауда ротамерлер бірдей амин қышқылының жақтағы тізбектерінің әртүрлі бағыттары деп болжалды. Яғни, ақуыздың реттілігі бекітілген деп есептелді. Сонымен қатар, екі жақты тізбектерді сол позицияға арналған ротамерлер жиынтығына қосу арқылы бірнеше жақты тізбектерге бір позиция үшін "байқасуға" мүмкіндік беру мүмкін. Бұл белгілі бір белоктың тірек сүйегіне жаңа реттілік жасауға мүмкіндік береді. Қысқа цинк саусағы ақуыз қатқыры осылай қайта құрылған. Алайда, бұл бір орынға шаққандағы ротамерлердің санын арттырады және әлі де белоктың тұрақты ұзындығын талап етеді.
Жалпылау
Әдістің тиімділігін және алдын ала болжау мен жобалау үшін жою қуатын арттыратын неғұрлым күшті және жалпы критерийлер енгізілді. Бір мысал - Голдштейн критерийі деп аталатын бірліктерді жою критерийінің жетілдірілуі, ол минимализацияны қолданудан бұрын өте қарапайым алгебралық манипуляциядан туындайды: Осылайша, егер a жиынтығынан кез келген баламалы ротатор жалпы энергияға аз үлес қосатын болса, ротаторды жоюға болады. Бұл бастапқы критерийге қарағанда жақсару болып табылады, ол мүмкін болатын ең жақсы (яғни ең кішкентай) энергия үлесін баламалы ротатордың мүмкін болатын ең нашар үлесімен салыстыруды талап етеді. ЕҚҚ-ның нақты критерийлері мен олардың салыстырмалы көрсеткіштері туралы толық мәліметтерді мына бөлімнен табуға болады .
Thus rotamer can be eliminated if any alternative rotamer from the set at contributes less to the total energy than This is an improvement over the original criterion, which requires comparison of the best possible (that is, the smallest) energy contribution from with the worst possible contribution from an alternative rotamer. An extended discussion of elaborate DEE criteria and a benchmark of their relative performance can be found in .