Proteins play crucial roles, including biocatalysis, transportation, and receptor activity, in living organisms. Moreover, their functional efficacy is influenced by their structural properties. Determining the three-dimensional structure of a protein is crucial to comprehending its catalytic mechanism, identifying potentially beneficial mutations for industrial applications, and enhancing its properties, including stability, activity, and substrate affinity. Although X-ray crystallography, nuclear magnetic resonance (NMR), and electron microscopy are employed to ascertain protein structures, many researchers have turned to bioinformatics modeling tools because of the high cost and time demands of these techniques. For structure prediction, there are three basic methods: ab initio (de novo), homology-based, and threading-based modeling techniques.
In this study, 11 modeling tools belong to different approaches were compared through modeling of various proteins; Geobacillus kaustophilus ksilan alpha-1,2-glucuronidase, Actinosynnema pretiosum bifunctional cytochrome P450/NADPH-P450 reductase, human high affinity cationic amino acid transporter 1 (SLC7A), human proton-coupled zinc antiporter (SLC30A) and Bacillus subtilis RNA polymerase sigma factor (sigY). Generated models were validated through QMEAN, QMEANDisCo, ProSA, ERRAT and PROCHECK tools. All of the studied proteins could be successfully modeled using homology modeling techniques, while some of the proteins could not be effectively modeled using threading or ab initio-based methods. YASARA generated reliable models for proteins that contain heteroatoms, such as P450 monooxygenases, because other tools exclude heteroatoms in their produced structures. Among approaches for modeling without templates, AlphaFold is a potent tool. On the other side, well-known template-based tools like YASARA, Robetta, and SWISS-MODEL have arisen. These results will help scientists choose the best protein modeling strategy and tool to guarantee high-quality structures.
Protein structure prediction Homology modeling Alphafold YASARA Ab initio modeling
Proteinler, canlı organizmalarda biyokataliz, taşıma ve reseptör aktivitesi gibi çok önemli roller oynar. Dahası, işlevsel etkinlikleri yapısal özelliklerinden etkilenir. Bir proteinin üç boyutlu yapısının belirlenmesi, katalitik mekanizmasının anlaşılması, endüstriyel uygulamalar için potansiyel olarak faydalı mutasyonların belirlenmesi ve stabilite, aktivite ve substrat afinitesi gibi özelliklerinin geliştirilmesi için çok önemlidir. Protein yapılarını tespit etmek için X-ışını kristalografisi, nükleer manyetik rezonans (NMR) ve elektron mikroskopisi kullanılsa da, birçok araştırmacı bu tekniklerin yüksek maliyet ve zaman talepleri nedeniyle biyoinformatik modelleme araçlarına yönelmiştir. Yapı tahmini için üç temel yöntem vardır: ab initio (de novo), homoloji tabanlı ve threading tabanlı modelleme teknikleri.
Bu çalışmada, farklı yaklaşımlara ait 11 modelleme aracı, çeşitli proteinlerin modellenmesi yoluyla karşılaştırılmıştır; Geobacillus kaustophilus ksilan alfa-1,2-glukuronidaz, Actinosynnema pretiosum bifonksiyonel sitokrom P450/NADPH-P450 redüktaz, insan yüksek afiniteli katyonik amino asit taşıyıcı 1 (SLC7A), insan proton-bağlı çinko antiporter (SLC30A) ve Bacillus subtilis RNA polimeraz sigma faktörü (sigY). Oluşturulan modeller QMEAN, QMEANDisCo, ProSA, ERRAT ve PROCHECK araçları ile doğrulanmıştır. Çalışılan tüm proteinler homoloji modelleme teknikleri kullanılarak başarılı bir şekilde modellenebilirken, bazı proteinler threading veya ab initio tabanlı yöntemler kullanılarak etkili bir şekilde modellenememiştir. YASARA, P450 monooksijenazlar gibi heteroatom içeren proteinler için güvenilir modeller üretmiştir, çünkü diğer araçlar üretilen modellerde heteroatomları hariç tutmuştur. Kalıptan bağımsız modelleme yaklaşımları arasında AlphaFold güçlü bir araçtır. Diğer taraftan, YASARA, Robetta ve SWISS-MODEL gibi iyi bilinen kalıp tabanlı araçlar ön plana çıkmıştır. Bu sonuçlar, bilim insanlarının yüksek kaliteli protein yapılarını elde etmeleri için en iyi protein modelleme stratejisini ve aracını seçmelerine yardımcı olacaktır.
Protein yapı tahmini homoloji modelleme YASARA Ab initio modelleme Alphafold
Birincil Dil | İngilizce |
---|---|
Konular | Translasyonel ve Uygulamalı Biyoinformatik, Biyoinformatik ve Hesaplamalı Biyoloji (Diğer), Yapısal Biyoloji , Biyomoleküler Modelleme ve Tasarım |
Bölüm | Makaleler |
Yazarlar | |
Yayımlanma Tarihi | 30 Ocak 2024 |
Gönderilme Tarihi | 20 Ekim 2023 |
Kabul Tarihi | 29 Kasım 2023 |
Yayımlandığı Sayı | Yıl 2024 Cilt: 13 Sayı: 1 |