Vaizdo rekonstravimo technologijos baltymų pėdsakams parametrizuoti

Abstract

Disertacijoje nagrinėjamos baltymų pėdsakų parametrizavimo dvimatės elektroforezės (2ME) gelių vaizduose problemos. Proteomikoje, analizuojant baltymus, tiriami gyvame organizme vykstantys pokyčiai. 2ME metu baltymai išskiriami pagal jų molekulines savybes. Deja 2ME gelių vaizdų automatinei analizei skirtose programose pritaikytos technologijos netinka iškraipytiems baltymų pėdsakams (dėl baltymų įsisotinimo, persisotinimo ar susiliejimo) aptikti ir parametrizuoti. Pagrindinis disertacijos tikslas – ištirti galimybę taikyti vaizdo rekonstravimo technologijas trimačiams objektams parametrizuoti, sukuriant ir ištiriant baltymų pėdsakų 2ME gelių vaizduose parametrizavimo metodus. Disertacijoje sprendžiami trys pagrindiniai uždaviniai: naujų baltymų pėdsakų matematinių modelių, tinkamų įsisotinusiems baltymų pėdsakams parametrizuoti, kūrimas; baltymų persisotinimų paieškos ir rekonstravimo metodo kūrimas ir susiliejusių baltymų pėdsakų parametrizavimo metodo kūrimas. Disertaciją sudaro įvadas, keturi skyriai ir rezultatų apibendrinimas. Įvadiniame skyriuje nagrinėjamas problemos aktualumas, iškeliamos hipotezės, formuluojamas darbo tikslas bei uždaviniai, mokslinis darbo naujumas, darbo praktinė reikšmė ir disertacijos struktūra. Pirmajame skyriuje apžvelgtos parametrizavimui taikomos vaizdo rekonstravimo technologijos. Skyriuje apžvelgtos vaizdo rekonstravimo technologijos, taikomos objektui parametrizuoti, kai naudojami keli, skirtingu kampu, gauti objekto vaizdai, taikomos šiuo metu technologijos bei matematiniai modeliai baltymų pėdsakams aptikti ir parametrizuoti 2ME gelių vaizduose. Antrajame skyriuje pateikti penki nauji baltymų pėdsakų modeliai, tinkami įsisotinusiems baltymų pėdsakams 2ME gelių vaizduose parametrizuoti. Taip pat pateikti siūlomų baltymų pėdsakų matemetinių modelių eksperimentinės patikros rezultatai. Trečiajame skyriuje pristatytas baltymų persisotinimų paieškos ir rekonstravimo 2ME gelių vaizduose metodas bei eksperimentinės patikros rezultatai. Ketvirtajame skyriuje pristatytas naujas metodas susiliejusiems baltymų pėdsakams parametrizuoti taikant spindulio tipo bazinių funkcijų tinklus. Pasiūlytas būdas 2ME gelių vaizdams efektyviai filtruoti ir naujas algoritmas spindulio tipo bazinių funkcijų tinklo bazinių funkcijų skaičiui bei centrams nustatyti. Pagrindiniai disertacijos rezultatai paskelbti 15 mokslinių konferencijų Lietuvoje ir užsienyje. Disertacijos tematika atspausdinta 12 mokslinių straipsnių: du žurnale, įtrauktame į Thomson ISI Web of Science sąrašą, du – leidiniuose, cituojamuose Inspec duomenų bazėje, du – tarptautiniuose recenzuojamuose žurnaluose, trys – recenzuojamose tarptautinių konferencijų medžiagose, trys – respublikinių konferencijų medžiagose.

The problems of protein parametrisation in two-dimensional electrophoresis (2DE) gel image is analysed in this work. Analysis of the proteins gives possibility to observe the health state of living organisms. In proteomics two-dimensional electrophoresis is used for protein separation in the gel according to their isoelectric point and molecular mass. The resulting gel is scanned and analysed by automatic gel image analysis systems. Those systems are not able to deal with specific protein spot distortions found in the gel image. The over-saturated protein spots prevent proper segmentation of the 2DE gel images. The aim of the work is to investigate the possibility of image reconstruction applications for object parametrisation by creating new methods for protein spot parametrisation in 2DE gel images. Three main tasks are resolved in this work: new mathematical models for parametrisation of saturated protein spots in 2DE gel images are proposed; new method for over-saturated protein spot search and reconstruction in 2DE gel images is proposed; new method for parametrisation of overlapped protein spots in 2DE gel images is proposed. The thesis is divided into introduction, four chapters and generalisation. The review of image reconstruction techniques and current 2DE gel image analysis problems are presented in first chapter. In the second chapter – the new mathematical models for parametrisation of saturates protein spots are proposed and experimental investigation results, comparing to diffusion model, are shown. A new method for reconstruction of over-saturated protein spots in 2DE gel images is proposed in the third chapter. The method consists of two main parts: oversaturation search and reconstruction, using mathematical protein spot model. The experimental investigation of the proposed method was made using two sets of 2DE gel images: with more than three over-saturated protein spots in gel image and with fewer over-saturated spots. The accuracy of reconstruction was investigated using synthetic protein spots. A new method for parametrisation of overlapped protein spots in 2DE gel images is proposed in the fourth chapter. The proteins are parametrised by the use of radial basis function network. The new algorithm for initial basis functions centres estimation is proposed. The new algorithm for estimation of median filter mask, used for 2DE gel image filtration is proposed. The main results of the thesis were reported at the 15 scientific conferences. Twelve scientific papers have been published on the topic of this work: two in Thomson ISIWeb of Science quoted journal, two papers in reviewed editions quoted in Inspec database, two in periodical reviewed journals and three proceedings of international conferences and three in the proceeding of national conferences.