Πρόβλεψη της δευτεροταγούς δομής ακολουθιών RNA με έμφαση στο μοτίβο ψευδοκόμβων, με τη χρήση τεχνικών συντακτικής αναγνώρισης προτύπων
Authors: Μακρής Ευάγγελος 
Published: July 2024

Η ακριβής ‘αντιστοίχιση ζευγών βάσεων’ σε μόρια RNA, που οδηγεί στην πρόβλεψητων δευτεροταγών δομών του RNA, είναι ζωτικής σημασίας για την εξήγηση άγνωστων βιολογικών λειτουργιών. Πρόσφατα, ο COVID-19, μια ευρέως διαδεδομένη ασθένεια, προκάλεσε πολλούς θανάτους, επηρεάζοντας την ανθρωπότητα με ασύλληπτο τρόπο. Ο SARS-CoV-2, ένας ιός μονόκλωνου RNA, απέδειξε τη σπουδαιότητα της ανάλυσης αυτών των μορίων και των δομών τους. Αυτή η διατριβή στοχεύει στο να δημιουργήσει ένα σύνολο σύγχρονων εργαλείων στην κατεύθυνση της πρόβλεψης συγκεκριμένων δομών RNA, με χρήση τεχνικών συντακτικής αναγνώρισης προτύπων. Πιο συγκεκριμένα, στοχεύει να συμβάλει σε αυτό το πεδίο εισάγοντας ένα σύνολο καινοτόμων συστημάτων που αποσκοπούν στην πρόβλεψη μοτίβων δευτεροταγούς δομής RNA γνωστών ως ψευδοκόμβων RNA, με τη χρήση τεχνικών συντακτικής αναγνώρισης προτύπων και των έννοιων του μέγιστου πλήθους ζευγών βάσεων και της ελάχιστης ελεύθερης ενέργειας. Έχοντας επικεντρωθεί στις προβλέψεις ψευδοκόμβων, οι προτεινόμενες μεθοδολογίες διαμορφώνουν την πρόβλεψη της δευτεροταγούς δομής του RNA ως ένα πρόβλημα ανάλυσης και, δευτερευόντως, ως ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης. Το πρώτο σύστημα που αναπτύχθηκε, το Knotify, αντιμετωπίζειτο πρόβλημα της πρόβλεψης ψευδοκόμβων πρώτης τάξης (τύπου Η). Εισάγει μια γραμματική χωρίς συμφραζόμενα (CFG) που επιτρέπει την αναγνώριση πιθανών προτύπων ψευδοκόμβων. Το Knotify παρουσιάζει μια παρόμοια ικανότητα πρόβλεψης με τα πιο σύγχρονα συστήματα αναγνώρισης της δευτεροταγούς δομής του RNA, αλλά είναι πολύ πιο αποδοτικό όσον αφορά τον χρόνο εκτέλεσης. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μια βελτιστοποιημένη έκδοση αυτού, κατά την οποία χρησιμοποιείται μια τεχνική κλαδέματος συντακτικών δένδρων, για περαιτέρω περιορισμό του χρόνου εκτέλεσης. Για την πρόβλεψη πιο περίπλοκων προτύπων ψευδοκόμβων τύπου Η, αναπτύχθηκε το σύστημα Knotify+, το οποίο αντιμετωπίζει το πρόβλημα της πρόβλεψης ψευδοκόμβων τύπου Η, συμπεριλαμβάνοντας ασύμμετρους βρόχους/εξογκώματα (bulges) και εσωτερικούς βρόχους (internal loops), εκμεταλλευόμενο τη δύναμη της γραμματικής χωρίς συμφραζόμενα (CFG). Βασίζεται στο Knotify, αλλά ενισχύει την εκφραστικότητά του αναζητώντας πιο πολύπλοκα πρότυπα στους βρόχους του ψευδοκόμβου. Τέλος, μεστόχο την πρόβλεψη ενός σπάνιου, αλλά περίπλοκου τύπου ψευδοκόμβου, του ψευδοκόμβου τύπου L, παρουσιάζεται επίσης ένα νέο σύστημα βασισμένο σε γραμματική χωρίς συμφραζόμενα που αποδεικνύεται αποτελεσματικό στην πρόβλεψη και τον χρόνο εκτέλεσης σε σύγκριση με άλλα σύγχρονα συστήματα. Αυτά τα καινοτόμα συστήματα και οι ανάλογες αρχιτεκτονικές στοχεύουν στην ενίσχυση των δυνατοτήτων των βιολόγων στην πρόβλεψη μοτίβων RNA, με έμφαση στις διαφορετικές κατηγορίες ψευδοκόμβων. Έχουν τη δυνατότητα εφαρμογής σε διάφορους βιολογικούς τομείς, όπως η γονιδιακή θεραπεία, η σχεδίαση φαρμάκων και η κατανόηση της λειτουργίας του RNA. Επιπλέον, αυτές οι προσεγγίσεις μπορούν να συνδυαστούν με άλλες μεθοδολογίες για να βελτιώσουν την ακρίβεια της πρόβλεψης της δομής του RNA. Οι πηγαίοι κώδικες του Knotify, Knotify+, του συστήματος πρόβλεψης τύπου L και οι λεπτομέρειες υλοποίησης είναι διαθέσιμοι στο διαδίκτυο σε αποθετήρια του GitHub για την αξιοποίησή τους από την κοινότητα, με σκοπό την υποστήριξη και την ενθάρρυνση αυτής της πρωτοβουλίας.