Strukturní biologie se zabývá molekulární strukturou hlavně nukleových kyselin a proteinů a vlivu různých konformací na fyzikálně chemické vlastnosti. Rychlost a množství popsaných struktur je daleko za odhadovaným množstvím proteinů vyskytujících se v živých organismech a nové metody kombinují různé biofyzikální postupy.Příspěvek shrnuje nároky a výzvy různých metod strukturní biologie na IT infrastrukturu a možnosti souvisejícího výzkumu jako je fyziologie člověka a objevování léku. Na příkladu vlastní zkušenosti z projektu pro tzv. integra-tivní strukturní biologii, jsou vyčteny metody pro sdílení výpočetních metod, dat, autentizaci, autorizaci a podpory řízení procesu experimentu pro jeho účastníky.

1. Význam a nároky strukturní biologie
pro výzkum fungování procesů v
lidském těle a objevování léčiv
Mgr. Tomáš Kulhánek, Ph.D.
1,2
1STFC, UK
2E-Science Data Factory, FR

2.  STFC
 Multidisciplinární
výzkumná organizace
 £678 mil. 2017-2018,
90% rozpočtu z
národních zdrojů
 1934 zaměstnanců
 Podpora asi 800 PhD
studentů
 E-Science Data Factory
 Startup, SME sídlo v
Paříži
 2 zaměstnanci
 Zaměření na vývoj a
využití technologie pro
vědecké anotace dat

3. Obsah
 Metody strukturní biologie
 nároky na IT infrastrukturu
 Nároky integrativního přístupu (kombinace
výsledků více metod)
 Význam pro další aplikace

4. Od genů ke struktuře

5. Metody strukturní biologie
 3D struktura (sekundární, terciární a
quaternální) nelze jednoduše odvodit z primární
struktury
 Přímé pozorování
 Mikroskopie (Cryo-EM)
 Nepřímé metody
 Rentgenová krystalografie
 Nukleární magnetická rezonance
 ...

6. Rentgenová krystalografie
• X-ray crystallography
• X-beam produced in
synchrotron

7. Nukleární magnetická rezonance

8. Kryo-elektronová mikroskopie
Transmission electron
microscopy
Sample is vitrified in
liquid ethane
Images noisy 2D
projections
Class averages are
constructed for each
orientation
Ultimately results in 3D
density maps

9. Vědecké zařízení pro uživatele
 Instruct-ERIC – sdružení výzkumných
infrastruktur v Evropě pro strukturní biologii

10. Nároky na IT infrastrukturu
 X-Ray
 experiment - 1-10 GB
 Procesing – spojení
intenzit difrakčních
bodů a sloučení
shodných odrazů,
redukce dat 1-10 MB
 Analýza – určení
struktury (objemy, při
dostatečném rozlišení
struktura na úrovni
atomů

11. Nároky na IT infrastrukturu
 NMR
 experiment – 100MB-1
GB
 Procesing –
Fourierova
transformace1-10 GB
 Analýza – určení
struktury (objemy, při
dostatečném rozlišení
struktura na úrovni
atomů – srovnání
podobných struktur)

12. Nároky na IT infrastrukturu
 Cryo-EM
 experiment – 10GB
- 1 TB
 Procesing –
extrakce vybraných
částí, redukce dat
10-100 MB
 Analýza – určení
struktury (objemy,
při dostatečném
rozlišení struktura
na úrovni atomů

13. Databáze
 Protein database (PDB,
www.pdb.org, www.pdbe.org,
www.pdbj.org)
Uniprot (uniprot.org) –
databáze pro proteinové
sekvence a funkční informace
EMDataBank – cryoEM raw
data database, …
Zenodo – general db for
scientific datasets

14. Znovupoužití dat
 Použití dat
 Kopie PDB pro specifické
účely – MetalPDB
 PDB-REDO – znovu
vylepšení struktury dle již
uložených hrubých dat
 …

15. Hybridní metody
 Použití více
experimentálních metod v
rámci projektu
 Sdílení dat mezi vědeckými
centry
 Sdílení software pro post-
procesing a analýzu
 Sdílení výpočetní capacity
 Znovupoužití dat

16. West-Life Virtual Folder

17. Vlastní virtuální stroj

18. Vlastní virtuální stroj

19. Objevování léčiv
Bigger is better in virtual drug screens, Nature 566, 193-194 (2019) doi:
10.1038/d41586-019-00145-6
Ultra-large library docking for discovering new chemotypes, Nature 566, pages224–
229 (2019) doi:10.1038/s41586-019-0917-9

20. Systémová biologie
Systems biology of the structural proteome, BMC Systems
BiologyBMC series – open, inclusive and trusted201610:26
https://doi.org/10.1186/s12918-016-0271-6

21. Systémová biologie, příklad

22. Děkuji za pozornost
tomas.kulhanek@matfyz.cz
https://tomaskulhanek.github.io
CernVM – https://cernvm.ch
Vagrant – https://www.vagrantup.com
Jupyter - https://jupyter.org
SSBIO - https://github.com/SBRG/ssbio
West-Life – https://github.com/h2020-
westlife-eu