Kütle spektrometresi temelli görüntüleme için yeni bir veri işleme yazılımının geliştirilmesi
Developing of a new data processing softwarefor mass spectrometry based imaging
Yazar: BETÜL KARABUDAK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HACI MEHMET KAYILI ; DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKAN YILMAZ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Kütle spektrometresi biyomoleküllerin kapsamlı analizlerinde kullanılan en önemli tekniklerden biridir. Matriks yardımlı lazer desorpsiyon/iyonlaştırma uçuş zamanlı (MALDI-TOF) kütle spektrometresi, proteinleri ve peptitleri tespit etmeye yönelik yüksek hızı ve hassasiyetinden dolayı kullanımı tercih edilen bir yöntemdir. Kütle spektrometresi temelli görüntüleme ve matriks yardımlı lazer desorpsiyon/iyonlaştırma (MALDI) görüntüleme deneylerinden elde edilen verilerin analizi için birçok yazılım kütüphanesi ve araç olmasına rağmen verilerin verimli yorumlanmasına yardımcı olan, kullanımı kolay, kullanıcı dostu arayüzlere sahip uygulamalara günümüzde ihtiyaç devam etmektedir. 
Tez çalışmasında, MALDI görüntüleme verileri için python platformunda açık kaynaklı ve kullanımı ücretsiz olan bir arayüz geliştirilmiştir. Geliştirilen arayüzün kullanıcıların kolaylıkla kullanmasına yönelik bir tasarıma sahip olması benimsenmiştir. Arayüz, kütle spektrometresi temelli görüntülemede yaygın olarak kullanılan bir veri formatı olan ".imzML" dosyalarının işlenmesine uygun olarak geliştirilmiştir. MALDI görüntüleme verileri için geliştirilen spektrum fonksiyonu, spektrum grafiği çizdirerek maksimum tepe yoğunluklarını görmemize imkan tanımaktadır. Geliştirilen arayüz, tek kütle/yük için oluşan grafikten değer okuyarak görüntü oluşturmanın temelini sunmaktadır. Bu özelliği ile kullanıcı istenilen kütle/yük (m/z) değerini grafik araçlarını kullanarak belirleyebilmektedir. Ayrıca oluşan izotop dağılımlarını net bir şekilde inceleme imkanı sağlamaktadır.  Geliştirilen arayüzde görselleştirme işlevleri, pyimzML kütüphanesi kullanılarak oluşturulmakta birlikte, toleransa bağlı olarak belirlenen m/z değer aralığı dikkate alınarak gerçekleşmektedir. Oluşan biyogörüntü ısı haritası ile renklendirilmektedir. İstatistiksel araçlar ile verilerin yorumlanmasına yardım sunulmaktadır. Geliştirilen yazılım, MALDI-TOF ve DESI (desorpsiyon elektrosprey iyonizasyon) cihazlarının verilerini işleyebilmektedir ve görüntülerini görselleştirebilmektedir. Diğer özelliklerinin yanı sıra kullanıcıya renk haritaları değiştirme, arayüze birden fazla m/z ve tolerans değerini girme ve aynı anda farklı yoğunluk görseli görme imkanı tanımaktadır.  Bu tez çalışmasında geliştirilen arayüz kullanılarak veri işleme sonrasında elde edilen çıktılar ayrıca ticari ve açık kaynaklı yazılımlar ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, açık kaynaklı, kullanıcı dostu, yaygın kütle spektrometresi temelli veri türünü işleyebilen bir arayüz tez kapsamında geliştirilmiştir. Geliştirilen arayüz tez öğrencisinin GitHub sayfasında kullanıcıların kullanımına sunulmuştur (https://github.com/betulkarabudak).

Abstract:
Mass spectrometry is one of the most important techniques used in the comprehensive analysis of biomolecules. Matrix assisted laser desorption/ionization time-of-flight (MALDI-TOF) mass spectrometry is a preferred method for detecting proteins and peptides due to its high speed and sensitivity. Although there are many software libraries and tools for analyzing data obtained from mass spectrometry-based imaging and matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) imaging experiments,  there is a continuing need for applications with easy-to-use, user-friendly interfaces that help to interpret data efficiently.
In the thesis, an open-source and free-to-use interface has been developed on the python platform for MALDI imaging data. It has been accepted that the developed interface has a design for users to use it easily. The interface has been developed in accordance with the processing of  ".imzML" files, which is a widely used data format in mass spectrometry-based imaging. The spectrum function developed for MALDI imaging data allows us to see the maximum peak intensities by plotting the spectrum graph. The developed interface provides the basis for creating an image by reading the value from the graph for a single mass/charge. With this feature, the user can determine the desired mass/charge (m/z) value using these graphic tools. It also provides the opportunity to examine the formed isotope distributions clearly. Visualization functions in the developed interface are created using the pyimzML library; they are realized by considering the m/z value range determined depending on the tolerance. The resulting bioimage is colored with a heat map. Assistance in data interpretation is provided with statistical tools. The developed software can process the data of MALDI-TOF and DESI (desorption electrospray ionization) devices and visualize their images. Among other features, it allows the user to change color maps, enter multiple m/z and tolerance values into the interface, and see different density images simultaneously. Using the interface developed in this thesis, the outputs obtained after data processing were also compared with commercial and open-source software. As a result, an open-source, user-friendly interface that can handle common mass spectrometry-based data types has been developed in the thesis. The developed interface is made available to users on the GitHub page of the thesis student (https://github.com/betulkarabudak).