Meta-heurísticas e hiper-heurísticas aplicadas ao problema de dobramento de proteínas

Abstract

Resumo: Proteínas são estruturas, compostas por aminoácidos, que exercem um papel importante na natureza. Estas estruturas são formadas a partir de um processo de dobramento, no qual uma sequência de aminoácidos inicialmente desdobrada irá adotar uma conformação/estrutura espacial única/nativa. Entretanto, o processo de dobramento ainda não é completamente compreendido e é considerado um dos maiores desafios das áreas de biologia, química, medicina e bioinformática. Este desafio é conhecido como o problema de dobramento de proteínas (PDP) e trata da predição de estruturas de proteínas. O PDP pode ser visto como um problema de minimização, pois é afirmado que a estrutura nativa de uma proteína é aquela que minimiza sua energia global livre. Dessa maneira, diversas estudos aplicam estratégias heurísticas para explorar modelos simplificados, tais como o modelo Hidrofóbico-Polar HP. Embora simplificado, HP possui um complexo espaço de busca e uma grande variabilidade de características entre as instâncias. Por conta de tal complexidade surge a demanda de estratégias que possuam mecanismos robustos para explorar de maneira adequada o espaço de busca. É nesse contexto que hiper-heurísticas se apresentam como boas opções para explorar o espaço de busca de problemas complexos. Nesta dissertação, são apresentadas duas abordagens para resolver o PDP. A primeira descreve uma abordagem biobjetiva explorando algoritmos evolucionários multi objetivos tradicionais. A segunda consiste no projeto automático de heurísticas de alto nível utilizando uma técnica de programação genética chamada evolução gramatical, a qual utiliza uma gramática para produzir programas de computador. As estratégias propostas foram aplicadas sobre um conjunto de benchmark com diferentes sequências de aminoácidos. Os resultados foram comparados com outros trabalhos que utilizam o mesmo conjunto de benchmark. Alguns resultados obtidos se mostraram promissores dessa maneira motivando novos estudos que desenvolvam estratégias adaptativas para o PDP.

Abstract: Proteins are structures composed by amino acids that plays a important role in nature. These structures are built by a process called protein folding, where a sequence of amino-acids initially unfolded will obtain your native structure. However, the protein folding process is not entire understood and it is considered one of the most challenging problem from biology, chemistry, medicine and bio-informatics. This problem is knows as the protein folding problem (PFP) and handles the prediction of protein structures. The PFP is a minimization problem, because the proteins native structures are the one within minimum energy. Thus, many heuristics strategies make use of simplified models, such as the HP model, to find the proteins native structures within the HP model. Although simplified, the HP model has a complex search space and a great variability of characteristics between the instances. Thus, raises the demand of strategies with robust mechanisms to explore the search space properly. In this context, adaptive strategies fits well as good alternative to explore the fitness landscape from complex problems. In this dissertation, two approaches are presented to solve the PDP. The first one describes a bi objective approach applying traditional multi objective evolutionary algorithms. The second approach consists the automated design of high level heuristics using a genetic programming technique called grammatical evolution, which uses a grammar to produce computer programs. Both approaches proposed have been applied on a benchmark set with different amino acids sequences. The results have been compared with previous studies that used the same benchmark. In some cases the results obtained are promising which motivates the development of new adaptive strategies to solve the PFP.