Detection of protein-ligand binding sites using 3D Vision Transformers

• Thesis title in Czech: Detekce protein-ligand vazebných míst pomocí 3D vision transfomerů
• Thesis title in English: Detection of protein-ligand binding sites using 3D Vision Transformers
• Key words: 3D Vision Transformeri|Vazebná místa|Počítačový návrh léčiv|Protein-ligand komplexy
• English key words: 3D Vision Transformers|Binding sites|Computer-aided drug design|Protein-ligand complexes
• Academic year of topic announcement: 2022/2023
• Thesis type: Bachelor's thesis
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Software Engineering (32-KSI)
• Supervisor: doc. RNDr. David Hoksza, Ph.D.
• Author: Bc. Ondrej Lopuch - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 10.01.2023
• Date of assignment: 10.01.2023
• Confirmed by Study dept. on: 30.03.2023
• Date and time of defence: 07.09.2023 09:00
• Date of electronic submission: 20.07.2023
• Date of submission of printed version: 20.07.2023
• Date of proceeded defence: 07.09.2023
• Opponents: doc. RNDr. Jakub Lokoč, Ph.D.

Guidelines

Práci lze dělit do tří etap.

V první etapě se student se musí seznámit 1) se stávajícími metodami pro detekci vazebných míst se zaměřením na metody hlubokého učení, které využívají 3D strukturu a 2) s fungováním vision transformerů a existujícími prácemi, které tuto metodu zobecňují do 3D.

V druhé etapě je třeba implementovat samotnou metodu pro predikci vazebných míst.

V poslední etapě je pak třeba metodu vyhodnoti vzhledem ke state-of-the-art v oblasti a vyhodnotit potenciál metody.

References

[1] Jones N.: An Introduction to Bioinformatics Algorithms, The MIT Press, 2004
[2] Liljas A., et al.: Textbook Of Structural Biology, World Scientific Publishing Company, 2009
[3] Dosovitskiy, Alexey, et al. "An image is worth 16x16 words: Transformers for image recognition at scale." arXiv preprint arXiv:2010.11929 (2020).
[4] Lahoud, Jean, et al. "3d vision with transformers: A survey." arXiv preprint arXiv:2208.04309 (2022).

Preliminary scope of work

Detekce protein-ligand vazebných míst je nejen důležitým nástrojem pro pochopení funkce proteinů, ale nachází uplatnění i v rámci počítačového vývoje léčiv při detekci molekul schopných modifikovat funkci proteinu. Detekční metody lze rozdělit na ty, kdy je známa pouze sekvence aminokyselin tvořící daný protin a na ty, kdy je k dispozici 3D struktura proteinu. Podobně jako u obrázku lze 3D prostor voxelizovat a pro detekci aplikovat zobecněné 2D metody strojového učení, jako jsou např. 3D konvoluční sítě. V nedávné době byla publikována metoda, která umožňuje aplikovat princip tzv. attention mechanismu i do oblasti počítačového zpracování obrazu - Vision Transformer (ViT). Cílem práce je vyhodnotit možnosti rozšíření ViT do 3D, tj. 3D ViT, v oblasti detekce protein-ligand vazebných míst. Součástí práce bude implementace metody a srovnání implementovaného přístupu s existujícími přístupy pro detekci protein-ligand vazebných míst.

Preliminary scope of work in English

The detection of protein-ligand binding sites is not only an important tool for understanding the function of proteins but also finds application in computer-aided drug design in the detection of molecules capable of perturbing protein function. The prediction methods can be divided into sequence-based and structure-based. Similarly, as with images, 3D space can be voxelized, and generalized machine learning methods such as 3D convolutional networks can be used applied for the detection of the binding sites. Recently, a method was published that allows the so-called attention mechanism to be applied to the field of computer vision - Vision Transformer (ViT). The goal of the work is to evaluate the possibilities of extending ViT to 3D, i.e., 3D ViT, for protein-ligand binding sites detection. The work will include a comparison of the implemented approach with existing approaches for protein-ligand binding sites detection.