[發明專利]一種基于虛擬網絡映射和云并行計算的蛋白質構象預測加速方法

在審

• 申請號: 202010543967.X
• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111755065A
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 侯維剛;尹欣;郭磊;鞏小雪
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: G16B15/00
• 分類號: G16B15/00;G16B40/00;G06F9/50
• 代理公司: 重慶市恒信知識產權代理有限公司 50102
• 代理人: 李金蓉

1.一種基于虛擬網絡映射和云并行計算的蛋白質構象預測加速方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，將蛋白質構象按照以下方式轉化到虛擬網絡映射：某條肽鏈所含氨基酸集合為V，連接鏈上每個氨基酸的肽鍵集合為L，將該條肽鏈抽象成虛擬節點集合為V，虛擬鏈路集合為L的有向虛擬網絡，S為HP格點集合，即物理網絡節點集合，E為連接HP格點的鏈路集合，即物理網絡鏈路集合；

步驟2，建立虛擬網絡映射的蛋白質構象預測模型；

步驟3，把肽鏈表征的位于虛擬網絡首尾兩端的虛擬節點隨機映射到物理網絡中的任意一對物理格點上；

步驟4，根據步驟2所述蛋白質構象預測模型計算最小的自由能值以及該自由能值所對應的路徑和折疊方向編碼；

步驟5，將步驟4所述折疊方向編碼劃分為多個子種群，進行云并行計算。

2.根據權利要求1所述一種基于虛擬網絡映射和云并行計算的蛋白質構象預測加速方法，其特征在于：所述蛋白質構象預測模型具體為：

權值變量w_v表示肽鏈中編號為v的氨基酸的親疏水情況，該變量值滿足公式(1)：

H表示具有疏水屬性的氨基酸，P表示具有親水屬性的氨基酸。

表示某氨基酸表征的虛擬網絡節點v映射至物理網絡格點s，為保證任意一個氨基酸表征的虛擬節點只能映射到一個物理格點上，則有約束：

為保證每個物理格點至多只能接受一個氨基酸表征的虛擬節點，則有約束：

表示某肽鍵表征的虛擬鏈路l映射到從物理格點s指向物理格點d的鏈路上，為保證每條虛擬鏈路只能映射到一條物理鏈路上，則有約束：

若某氨基酸表征的虛擬節點已映射成功，那么與其相鄰的虛擬節點在物理網絡上要滿足鏈路流守恒約束：

式中，l_start表示虛擬鏈路l的起點，l_end則表示虛擬鏈路l的終點，l＝l₁或l₂；表示某肽鍵表征的虛擬鏈路l₁映射到從物理格點d指向物理格點s的鏈路上；表示某肽鍵表征的虛擬鏈路l₂映射到從物理格點s指向物理格點d'的鏈路上；

為統計某蛋白質構象狀態中相鄰而不相連的H-H結構個數，新增二值變量定義為：

這個統計值為1時應滿足如下約束：

具有最小自由能的蛋白質構象滿足公式(8)，即相鄰而不相連的H-H結構總數的相反數的最小值，代表當前蛋白質構象最穩定；

3.根據權利要求2所述一種基于虛擬網絡映射和云并行計算的蛋白質構象預測加速方法，其特征在于：所述步驟4的具體計算步驟為：

尋找出被映射到的步驟3所述的這一對物理格點之間符合所述公式(2)、(3)、(4)和(5)約束的全部路徑；

再根據公式(7)和(8)，統計每條路徑所具有的自由能值，且得到其中最小的自由能值以及該自由能值所對應的路徑和折疊方向編碼。

4.根據權利要求3所述一種基于虛擬網絡映射和云并行計算的蛋白質構象預測加速方法，其特征在于：所述折疊方向編碼表示序列中每個氨基酸在形成蛋白質構象時的折疊方向，采用絕對方向表示法，1表示向右折疊，2表示向上折疊，3表示向左折疊，4表示向下折疊。

5.根據權利要求1-4任一項所述一種基于虛擬網絡映射和云并行計算的蛋白質構象預測加速方法，其特征在于：所述云并行計算包括一個頭節點和若干工作節點的計算，每個工作節點獨立完成相應子種群對蛋白質構象的計算，待運行到各工作節點出現優秀個體，挑選出各工作節點中的最優個體，傳到頭節點中，進行兩兩交換，各工作節點再把自己的最差個體用交換得到的最優個體替換掉，繼續執行蛋白質構象計算，直到達到預設的繁衍代數。