Analysis of 2D Electrophoresis Gel Images Using Intelligent Techniques

Abstract

The problem of automation of two-dimensional gel electrophoresis (2DE) image analysis is analysed in this work.2DE is a biochemical experiment used to fractionate proteins from biological sample. The objective of 2DE image analysis – 2DE image comparison in order to determine the differences in biological samples. Automatic 2DE image analysis is a problem, because the analytical steps are tedious or impossible by hand and it takes up to several hours. Reliable automatic 2DE image analysis methods produce a more rapid biological processes analysis, disease diagnosis and patient treatment. The aim is to automate two-dimensional gel electrophoresis image analysis by creating and testing efficient, intelligent methods based, image analysis techniques. Analytical review of digital 2DE image analysis literature is performed to justify the selection of specific methods for further research. Criterions of 2DE image analysis efficiency are framed and automated 2DE image analysis strategy is offered on their basis. Methods and their implementation by intelligent algorithms for particular 2DE image automated analysis steps are derived. The proposed image analysis methods are investigated with artificial and natural 2DE images and performance results are gathered. In the first chapter the main thesis-relevant information related to the life science, proteomics, and biochemical techniques is presented. A review of algorithms for major steps of automatic 2DE image analysis (2DE image segmentation and alignment) and formulation of the thesis objectives is performed. The second chapter deals with conditions that increase the possibility of finding an appropriate and effective automated 2DE image analysis solution. Automated 2DE image analysis strategy is created. In the third chapter 2DE image alignment method is created: 2DE image alignment step is specified; an automatic method for selection of the main gel is created and analyzed; algorithms for the initial and final 2DE image alignment are created and analyzed. In the fourth chapter 2DE image segmentation method is created: algorithms for the 2DE image splitting into areas and for the reconstruction of oversaturated protein spots are created and analyzed; new mathematical models of protein spots are offered and analyzed. The main thesis results were published in 14 scientific papers, of which 5 papers are published in peer-reviewed scientific journals. Also results were presented in 24 scientific conferences in Lithuania and abroad.

Disertacijoje nagrinėjama dvimatės elektroforezės gelių (DEG) vaizdų analizės automatizavimo problema. Dvimatė gelio elektroforezė (DE) – tai biocheminis tyrimas, naudojamas biologiniame mėginyje esantiems baltymams išrūšiuoti (frakcionuoti). DEG vaizdų analizės siekinys – DEG vaizdų palyginimas nustatant baltyminius skirtumus biologiniuose mėginiuose. DEG vaizdų automatinės analizės problema aktuali, nes analizės etapai yra neįmanomi arba varginantys atliekant juos rankiniu būdu ir trunka iki keletos valandų. Patikimi DEG vaizdų automatinės analizės metodai garantuotų spartesnį gyvybinių procesų tyrimą, ligų diagnozavimą ir pacientų gydymą. Darbo tikslas – automatizuoti dvimatės elektroforezės gelių vaizdų analizę sukuriant ir ištiriant efektyvius, intelektualiaisiais metodais grįstus, vaizdų analizės metodus. Atliekama analitinė skaitmeninių DEG vaizdų analizės technologijų literatūros apžvalga, pagrindžiant konkrečių analizės būdų parinkimą tolimesniems tyrimams. Suformuluojami DEG vaizdų analizės efektyvumo ir patikimumo vertinimo kriterijai ir jų pagrindu pasiūloma automatinės DEG vaizdų analizės strategija. Sukuriami pasirinktų automatinės DEG vaizdų analizės etapų metodai ir juos įgyvendinantys intelektualieji algoritmai. Siūlomi vaizdų analizės metodai ištiriami su dirbtiniais ir natūraliais DEG vaizdais, pateikiant jų efektyvumo rezultatus. Pirmame skyriuje pristatomos esminės žinios apie proteomiką ir biochemines technologijas. Apžvelgiami proteomikoje taikomi elektronikos ir informatikos įrankiai, pagrindiniai DE gelių automatinės analizės etapai, formuluojami disertacijos uždaviniai. Antrame skyriuje aptariami DE gelių analizės automatizavimo problemos sprendimo būdai, suformuluojami reikalavimai automatinei DEG vaizdų analizės sistemai, apibendrinto ryšių sistemos modelio pagrindu pasiūlomas originalus DEG vaizdų sutapdinimo modelis, pristatoma nauja automatinės DEG vaizdų analizės strategija. Trečiame skyriuje detalizuojama sudarytos strategijos DEG vaizdų sutapdinimo etapas ir, siūlant sprendimus bei juos tiriant, koncentruojamasi ties trimis naujojo sutapdinimo metodo etapais – individualių DEG vaizdų paruošimu, pradiniu ir baigiamuoju DEG vaizdų sutapdinimu. Ketvirtas skyrius skirtas baltymų raiškos analizės problematiškiausios dalies – DEG vaizdų segmentavimo – galimiems sprendimams. Pateikiami du nauji DEG vaizdų skaidymo į prasmingas sritis algoritmai ir jų tyrimo rezultatai, atlikti baltymų pėdsakų modeliavimo tyrimai, apimantys baltymų pėdsakų rekonstravimą ir parametrizavimą. Pagrindiniai disertacijos rezultatai paskelbti 14 mokslinių straipsnių, iš kurių 5 straipsniai paskelbti recenzuojamuose mokslo žurnaluose. Rezultatai viešinti 24 mokslinėse konferencijose Lietuvoje bei užsienyje.