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Articulo de referencia

NUPACK

El paquete de ácidos nucleicos ( NUPACK ) es un conjunto de software en constante desarrollo para el análisis y diseño de sistemas de ácidos nucleicos . [ 1 ] Los trabajos puede...

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El paquete de ácidos nucleicos ( NUPACK ) es un conjunto de software en constante desarrollo para el análisis y diseño de sistemas de ácidos nucleicos . [ 1 ] Los trabajos pueden ejecutarse en línea en el servidor web de NUPACK o bien, el código fuente de NUPACK puede descargarse y compilarse localmente para uso académico no comercial. [ 2 ] Los algoritmos de NUPACK se formulan en términos de la estructura secundaria de los ácidos nucleicos. En la mayoría de los casos, los pseudonudos se excluyen del conjunto estructural.

Modelo de estructura secundaria

Ejemplo de dibujo de la estructura secundaria (izquierda) y el gráfico del polímero correspondiente (derecha). Las cadenas principales están representadas por líneas gruesas de colores y las bases y los pares de bases por líneas finas negras.

La estructura secundaria de múltiples hebras interactuantes se define mediante una lista de pares de bases . [ 3 ] Un grafo de polímero para una estructura secundaria se puede construir ordenando las hebras alrededor de un círculo, dibujando los esqueletos en sucesión de 5' a 3' alrededor de la circunferencia con una muesca entre cada hebra y dibujando líneas rectas que conectan las bases emparejadas. Una estructura secundaria es pseudonuda si cada ordenamiento de hebras corresponde a un grafo de polímero con líneas que se cruzan. Una estructura secundaria es conectada si ningún subconjunto de las hebras está libre de las demás. Los algoritmos se formulan en términos de complejos ordenados, cada uno correspondiente al conjunto estructural de todos los grafos de polímero conectados sin líneas que se cruzan para un ordenamiento particular de un conjunto de hebras. La energía libre de una estructura secundaria no pseudonuda se calcula utilizando parámetros empíricos de vecinos más cercanos para ARN en 1M Na+ [ 4 ] [ 5 ] o para ADN en concentraciones de Na+ y Mg++ especificadas por el usuario; [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] Se emplean parámetros adicionales para el análisis de pseudonudos (solo hebras de ARN simples). [ 9 ] [ 10 ]

Servidor web

Análisis

La página de Análisis permite a los usuarios analizar las propiedades termodinámicas de una solución diluida de hebras de ácido nucleico que interactúan en ausencia de pseudonudos (por ejemplo, un tubo de ensayo con hebras de ADN o ARN). [ 1 ] [ 3 ] Para una solución diluida que contiene múltiples hebras que interactúan para formar múltiples complejos ordenados, NUPACK calcula para cada complejo ordenado:

incluyendo un tratamiento riguroso de los problemas de distinción que surgen en el contexto de múltiples hebras.

Diseño

La página de Diseño permite a los usuarios diseñar secuencias para una o más hebras destinadas a adoptar una estructura secundaria objetivo no pseudonuda en equilibrio. [ 1 ] El diseño de secuencias se formula como un problema de optimización con el objetivo de reducir el defecto de conjunto por debajo de una condición de parada especificada por el usuario. [ 11 ] Para una secuencia candidata y una estructura secundaria objetivo dada, el defecto de conjunto es el número promedio de pares incorrectos en el conjunto estructural del complejo ordenado. [ 12 ] Para una estructura secundaria objetivo con N nucleótidos, el algoritmo busca lograr un defecto de conjunto por debajo de N/100. Empíricamente, el algoritmo de diseño exhibe optimalidad asintótica a medida que N aumenta: para N suficientemente grande, el costo del diseño de secuencias es típicamente solo 4/3 del costo de una sola evaluación del defecto de conjunto. [ 11 ]

Servicios públicos

La página de Utilidades permite a los usuarios evaluar, visualizar y anotar las propiedades de equilibrio de un complejo de cadenas de ácido nucleico interactuantes. [ 1 ] La página acepta como entrada información de secuencia, información de estructura o ambas, realizando diversas funciones en función de la información proporcionada, incluyendo el diseño y la representación automáticos de estructuras secundarias con o sin geometría helicoidal ideal. En ambos casos, el diseño de la estructura se puede editar dinámicamente dentro de la aplicación web.

La página de Utilidades permite representar estructuras secundarias con geometría helicoidal ideal para pares de bases apiladas, como en este complejo de tres hebras de ARN con hélices en forma A (izquierda) o tres hebras de ADN con hélices en forma B (derecha).

Implementación

La aplicación web NUPACK [ 1 ] está programada en el framework Ruby on Rails , utilizando Ajax y el Dojo Toolkit para implementar funciones dinámicas y gráficos interactivos. Los gráficos se generan con NumPy y matplotlib . El sitio es compatible con las versiones actuales de los navegadores web Safari , Chrome y Firefox . La biblioteca NUPACK de algoritmos de análisis y diseño está escrita en el lenguaje de programación C. Los programas dinámicos se paralelizan mediante la Interfaz de Paso de Mensajes (MPI).

Condiciones de uso

El servidor web NUPACK y el código fuente de NUPACK se proporcionan con fines de investigación no comerciales y, con esta restricción, no son software libre y de código abierto .

Fondos

El desarrollo de NUPACK está financiado por la National Science Foundation a través del Molecular Programming Project [ 13 ] y por el Beckman Institute [ 14 ] en el California Institute of Technology (Caltech).

Véase también

  • Sitio web oficial
  • Página de descarga de la fuente
  • Página principal del proyecto de Programación Molecular
  • El Instituto Beckman en Caltech

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 Zadeh, JN, CD Steenberg, JS Bois, BR Wolfe, AR Khan, MB Pierce, RM Dirks y NA Pierce, NUPACK: análisis y diseño de sistemas de ácidos nucleicos. Journal of Computational Chemistry
  2. ↑ descargas
  3. 1 2 Dirks, RM, JS Bois, JM Schaeffer, E. Winfree y NA Pierce, Análisis termodinámico de cadenas de ácidos nucleicos interactuantes SIAM Review, 2007. 49(1): pág. 65-88.
  4. ↑ Serra, MJ y DH Turner, Predicción de las propiedades termodinámicas del ARN. Methods in Enzymology, 1995. 259: págs. 242-261.
  5. ↑ Mathews, DH, J. Sabina, M. Zuker y DH Turner, La dependencia de secuencia ampliada de los parámetros termodinámicos mejora la predicción de la estructura secundaria del ARN. Journal of Molecular Biology, 1999. 288: págs. 911-940.
  6. ↑ SantaLucia, J., J., Una visión unificada de la termodinámica de vecinos más cercanos del ADN de polímeros, mancuernas y oligonucleótidos. Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América, 1998. 95(4): págs. 1460-1465.
  7. ↑ SantaLucia, J. y D. Hicks, La termodinámica de los motivos estructurales del ADN . Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, 2004. 33: págs. 415-440.
  8. ↑ Koehler, RT y N. Peyret, Propiedades termodinámicas de las secuencias de ADN: valores característicos para el genoma humano. Bioinformatics, 2005. 21(16): p. 3333-3339.
  9. ↑ Dirks, RM y NA Pierce, Un algoritmo de función de partición para la estructura secundaria de ácidos nucleicos que incluye pseudonudos. Journal of Computational Chemistry, 2003. 24: págs. 1664-1677.
  10. ↑ Dirks, RM y NA Pierce, Un algoritmo para calcular las probabilidades de apareamiento de bases de ácidos nucleicos, incluidos los pseudonudos. Journal of Computational Chemistry, 2004. 25: págs. 1295-1304.
  11. 1 2 Zadeh, JN, BR Wolfe y NA Pierce, Diseño de secuencias de ácidos nucleicos mediante optimización eficiente de defectos de conjunto. Journal of Computational Chemistry.
  12. ↑ Dirks, RM, M. Lin, E. Winfree y NA Pierce, Paradigmas para el diseño computacional de ácidos nucleicos. Nucleic Acids Research, 2004. 32(4): págs. 1392-1403.
  13. ↑ Proyecto de Programación Molecular
  14. ↑ Instituto Beckman