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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.76.2017.tde-05012017-151212
Documento
Autor
Nome completo
Fernando Ribeiro Caires
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2016
Orientador
Banca examinadora
Montalvão, Rinaldo Wander (Presidente)
Araujo, Alexandre Suman de
Ellena, Javier Alcides
Título em português
Estudos e desenvolvimento de métodos baseados em harmônicos esféricos para análise de similaridade estrutural entre ligantes
Palavras-chave em português
Harmônicos esféricos
Ligantes
Similaridade
Resumo em português
Descritores moleculares são essenciais em muitas aplicações de física e química computacional, como na análise de similaridade entre ligantes baseada em sua estrutura. Harmônicos esféricos têm sido utilizados como descritores da superfície molecular por serem uma forma compacta de descrição geométrica e por possuírem um descritor invariante por rotação. Assim, este trabalho propõe um método de análise de similaridade estrutural entre ligantes no qual se modela a superfície de uma molécula através de uma expansão em harmônicos esféricos realizada pelo programa LIRA. Os coeficientes encontrados são utilizados para percorrer o banco de dados DUD-E, com descritores previamente calculados, utilizando Distância Euclidiana e diversos valores de corte para selecionar compostos mais semelhantes. O potencial do método é avaliado usando o Ultrafast Shape Recognition (USR) como método padrão, pelo fato de ser uma excelente e rápida métrica para análise da similaridade de ligantes. Foram selecionadas 50 moléculas de diferentes tamanhos e composição de forma a representar todos os grupos moleculares presentes na DUD-E. Em seguida, cada molécula foi submetida à busca de similares variando-se valores de corte para o LIRA em que o conjunto de moléculas selecionadas foi comparado com as selecionadas pelo USR através de um processo de classificação binária e criação e interpretação de curvas ROC. Além do benchmarking, foi realizada a análise das componentes principais para determinar quais descritores são os mais importantes e carregam as melhores informações utilizadas na descrição da superfície da molécula. A partir das componentes principais, foi realizado um estudo do uso de funções peso, associando mais importância aos descritores adequados, e a redução da dimensionalidade do banco de dados, seleção de um novo conjunto de autovetores que formam as bases do espaço vetorial e uma nova descrição das moléculas para o novo espaço, no qual cada variação foi avaliada através de um novo benchmarking. O LIRA se mostrou tão rápido quanto o USR e apresentou grande potencial de seleção de moléculas similares, para a maioria das moléculas testadas, pois as curvas ROC apresentaram pontos acima da linha do aleatório. Tanto a redução da dimensionalidade quanto o uso de funções de ponderação agregaram valor à métrica deixando-a mais veloz, no caso da redução da quantidade de descritores, e seletiva, em ambos os casos. Dessa forma, o método proposto se mostrou eficiente em mensurar a similaridade entre ligantes de forma seletiva e rápida utilizando somente informações a respeito da superfície molecular.
Título em inglês
Study and development of spherical harmonics based methods for similarity ligand analysis
Palavras-chave em inglês
Ligands
Similarity
Spherical harmonics
Resumo em inglês
Molecular descriptors are essential for many applications in computational chemistry and physics, such as ligand-based similarity searching. Spherical harmonics have previously been suggested as comprehensive descriptors of molecular structure due to their properties, orthonormality and rotationally invariant. Here we proposed a ligand similarity analysis method where molecule's surface is modeled by an expansion in Spherical Harmonics, called LIRA, whose coefficient are used to perform a search in DUD-E database, with all descriptors previously calculated, measured by Euclidian Distance and different cutoff's values to select similar compounds. Method's potential is evaluated against Ultrafast Shape Recognition (USR), due to it is an excellent a fast metric to ligand similarity analysis, in a benchmarking. Fifty molecules are selected varying chemical composition and size to represent all molecular groups of DUD-E. After that, which one was submitted in a search with different values of cutoff for LIRA and the subset selected was compared with the ones selected by USR through binary classification and ROC curves analysis. Beyond benchmarking, it was performed a principal component analysis to identify which are the most valuable coefficient for shape description. Using principal components two other studies are made, weight functions are applied to descriptors, providing more value for those carry more information, and dimensionality reduction, where a subset of eigenvectors are select to form the new basis of the vector space and the new molecule's description was made in the new space, which variation was tested in a new benchmarking. Lira showed to be as fast as USR and a big potential to select similar molecules, for the majority of the molecules tested, because ROC curves had points over the random line. Dimensionality reduction and weight functions improved LIRA results raising velocity, due to the use of less descriptors to model molecule's surface, and the selection power, for both cases. In summary, the proposed method showed to be an efficient and fast tool for measure similarity between ligands based in molecular shape.
 
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Data de Publicação
2017-01-24
 
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