Conformational ensembles and sampled energy landscapes: Analysis and comparison

Frédéric Cazals, Tom Dreyfus, Dorian Mazauric, Christine-Andrea Roth, Charles H. Robert
<span title="2015-05-21">2015</span> <i title="Wiley"> <a target="_blank" rel="noopener" href="https://fatcat.wiki/container/72zcmi3smndcrdvxgve7ny6ytq" style="color: black;">Journal of Computational Chemistry</a> </i> &nbsp;
We present novel algorithms and software addressing four core problems in computational structural biology, namely analyzing a conformational ensemble, comparing two conformational ensembles, analyzing a sampled energy landscape, and comparing two sampled energy landscapes. Using recent developments in computational topology, graph theory, and combinatorial optimization, we make two notable contributions. First, we a present a generic algorithm analyzing height fields. We then use this
more &raquo; ... to perform density based clustering of conformations, and to analyze a sampled energy landscape in terms of basins and transitions between them. In both cases, topological persistence is used to manage ruggedness. Second, we introduce two algorithms to compare transition graphs. The first is the classical earth mover distance metric which depends only on local minimum energy configurations along with their statistical weights, while the second incorporates topological constraints inherent to conformational transitions. Illustrations are provided on a simplified protein model (BLN69), whose frustrated potential energy landscape has been thoroughly studied. The software implementing our tools is also made available, and should prove valuable wherever conformational ensembles and energy landscapes are used. Ensembles de conformations, et paysagesénergétiqueś echantillonnés: analyse et comparaison Résumé : Nous présentons de nouveaux algorithmes pour quatre problèmes de modélisation d'importance centrale en biologie structurale,à savoir analyser un ensemble de conformations, comparer deux tels ensembles, analyser un paysageénergétiqueéchantillonné, et comparer deux tels paysages. En exploitant certains développements récents en topologie computationnelle, théorie des graphes, et optimisation combinatoire, nous présentons deux contributions principales. D'une part, nous présentons un algorithme générique permettant d'analyser une fonction hauteur. Cet algorithme est ensuite utilisé pour effectuer un clustering basé sur la densité d'états, et aussi pourétudier un paysageénergétiqueéchantillonné. Dans les deux cas, la théorie de la persistence topologique est utilisée pour gérer la rugosité. D'autre part, nous introduisons deux algorithmes permettant de comparer deux graphes de transition. Le premier algorithme est la distance classique dite de transport de masse, alors que le second incorpore des contraintes de connectivité inhérentes aux transitions observées sur un paysageénergétique. A titre d'illustration,ces algorithmes sont appliquésà un modèle de protéine simplifiée (BLN69), dont le paysageénergétique frustré aétééchantillonné en détail. Les logiciels implémentant nos algorithmes sont misà disposition, et devraient s'avérer utiles dans toutes les situations où des ensembles de conformations et des paysagesénergétiques echantillonnés sont manipulés.
<span class="external-identifiers"> <a target="_blank" rel="external noopener noreferrer" href="https://doi.org/10.1002/jcc.23913">doi:10.1002/jcc.23913</a> <a target="_blank" rel="external noopener" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25994596">pmid:25994596</a> <a target="_blank" rel="external noopener" href="https://fatcat.wiki/release/vd2dqwsbarbvjhwtfsqy6kst5e">fatcat:vd2dqwsbarbvjhwtfsqy6kst5e</a> </span>
<a target="_blank" rel="noopener" href="https://web.archive.org/web/20190503050627/https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01076317v3/document" title="fulltext PDF download" data-goatcounter-click="serp-fulltext" data-goatcounter-title="serp-fulltext"> <button class="ui simple right pointing dropdown compact black labeled icon button serp-button"> <i class="icon ia-icon"></i> Web Archive [PDF] <div class="menu fulltext-thumbnail"> <img src="https://blobs.fatcat.wiki/thumbnail/pdf/6d/ae/6dae29191fc83b89db820d8b29561209291f8052.180px.jpg" alt="fulltext thumbnail" loading="lazy"> </div> </button> </a> <a target="_blank" rel="external noopener noreferrer" href="https://doi.org/10.1002/jcc.23913"> <button class="ui left aligned compact blue labeled icon button serp-button"> <i class="external alternate icon"></i> wiley.com </button> </a>