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Improved algorithms for RNA folding paths
Maximilian Faissner
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Bioinformatik
Betreuer*in
Ivo Hofacker
DOI
10.25365/thesis.74155
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21762.56175.394152-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die RNA-Forschung hat sich als ein bedeutender Bestandteil an der Basis der wissenschaftlichen Entdeckungen im Bereich der Biologie etabliert. In den letzten Jahrzehnten gab es eine beachtliche Zunahme von Forschungsergebnissen, die unser Verständnis von RNA-Molekülen erheblich verbessert haben. Dieser Erfolg wurde durch einen Paradigmenwechsel begünstigt, bei dem die RNA nicht mehr nur als Intermediär zur Übertragung genetischer Informationen betrachtet wird, sondern ihre Eigenschaft, strukturelle Funktionen zu übernehmen, berücksichtigt wird. Dieser Wandel zeigt sich besonders deutlich im Bereich der Therapeutika, wie beispielsweise bei der Entwicklung von COVID-19 mRNA-Impfstoffen. Entscheidend ist das grundlegende Verständnis der molekularen RNA-Stabilität, die so beispielsweise die Abbaugeschwindigkeit exogener RNA-Moleküle steuern kann. Die RNA-Bioinformatik blickt auf eine mehr als zwei Jahrzehnte lange Geschichte zurück, die sich auf die Modellierung und Vorhersage von RNA-Strukturen konzentriert. Dieser Teil der Forschung ist insbesondere deshalb relevant, weil es eine Vielzahl bekannter RNA-Sequenzen gibt, deren Struktur unbekannt ist. Zunächst wurden Algorithmen zur Identifizierung von Strukturen mit minimaler freier Energie und guter Präzision auf der Grundlage der Thermodynamik entwickelt. Die Weiterentwicklung führte zu Ensemble-Methoden, die das dynamische Verhalten mehrerer Strukturen innerhalb der Energielandschaft eines bestimmten RNA-Moleküls analysieren. Diese Arbeit befasst sich mit der Dynamik der RNA-Faltung, konkret mit der Modellierung und Vorhersage von Konformationsänderungen einer einzelnen Sequenz, die mehrere bekannte alternierende Strukturen annehmen kann. Das Ziel besteht darin, die RNA-Faltungspfade zu bestimmen, um Energiebarrieren abzuschätzen. Verschiedene verfügbare Algorithmen zur Abschätzung von Faltungspfaden werden bewertet und verglichen, einer dieser wird anschließend verbessert. In Anbetracht des nachgewiesenen Auftretens alternativer RNA-Konformationen in allen Bereichen des Lebens soll diese theoretische Forschung auch dazu beitragen, unser umfassendes Verständnis des RNA-Ensembles zu verbessern.
Abstract
(Englisch)
RNA research has established itself as a prominent cornerstone at the forefront of scientific discovery in the field of biology. In recent decades, there has been a notable increase in advancements that have enhanced our understanding of RNA molecules and their roles in various biological processes within the cell. This progress was enabled by a paradigm shift, no longer considering RNA solely as an intermediary for genetic information, but recognizing its ability to adopt functional structures. This shift is particularly evident in the field of therapeutics, as demonstrated by the development of COVID-19 mRNA vaccines. Understanding structural stability is crucial in addressing the challenges and limitations associated with RNA-based therapeutics, such as mitigating the cellular degradation of exogenous RNA molecules. RNA bioinformatics has an extensive history spanning now over two decades, focused on the modelling and prediction of RNA structures. This field of research is particularly valuable due to the abundance of known RNA sequences that lack a known structure. Initially, thermodynamics-based algorithms were developed to identify minimum free-energy structures with reasonable accuracy. Advancements have led to ensemble methods, which explore the dynamic behaviour of multiple structures within the energy landscape of a given RNA molecule. This thesis has its focus on the dynamics of RNA folding. It aims to model and predict the dynamic behaviour and conformational changes of a single sequence capable of adopting multiple known alternate structures. The primary focus revolves around estimating RNA folding paths and identifying energy barriers between two alternate structures. There are multiple algorithmic approaches for estimating folding paths, which will undergo assessment and comparison. Several options will be discussed, aiming to enhance one of the existing algorithms significantly. Considering the established occurrence of alternative RNA conformations in numerous instances across all domains of life, this theoretical research in the field of RNA bioinformatics will contribute to advancing our comprehensive understanding of the RNA ensemble.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
RNA Kinetik Faltung Faltungspfade Algorithmen Heuristik
Schlagwörter
(Englisch)
RNA Kinetics Folding Folding Paths Algorithms Heuristics
Autor*innen
Maximilian Faissner
Haupttitel (Englisch)
Improved algorithms for RNA folding paths
Paralleltitel (Deutsch)
Verbesserte Algorithmen für RNA-Faltungspfade
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
viii, 87 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Ivo Hofacker
Klassifikationen
42 Biologie > 42.10 Theoretische Biologie ,
54 Informatik > 54.89 Angewandte Informatik. Sonstiges
AC Nummer
AC16928365
Utheses ID
67807
Studienkennzahl
UA | 066 | 875 | |