Vorhersage von RNA-Sekudärstrukturen (PDF)

Studienarbeit aus dem Jahr 2004 im Fachbereich Informatik - Sonstiges, Note: 2.0, Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig (Institut für Software, Abteilung Informationssysteme), Veranstaltung: Seminar Bioinformatik, Sprache: Deutsch, Abstract: Diese Seminararbeit befasst sich mit dem Thema "Vorhersage von RNA - Sekundärstrukturen". Wie aus dem Titel der Arbeit zu entnehmen ist, liegt der Schwerpunkt auf der Vorhersage der räumlichen Struktur von RNA. Für die Vorhersage bietet die Primärstruktur der RNA unzureichende Informationen, da Moleküle stets das Bestreben aufweisen energetisch günstige Positionen einnehmen zu wollen, welches maßgeblich von der Sekundärstruktur bestimmt wird. Die räumliche Anordnung der RNA, die auf Wechselwirkungen zwischen den Bindungen beruht, wird als Sekundärstruktur bezeichnet.
Im ersten Kapitel wird die RNA-Sekundärstruktur erörtert und dient als Einführung in das Thema. Im Rahmen dieses Kapitels werden alle relevanten Begriffe wie beispielsweise komplementäre Basen, Kleeblattform, Wasserstoffbrückenbindungen und sämtliche Schleifenstrukturen vorgestellt. Anhand eines kleinen Beispieles werden die eingeführten Definitionen verdeutlicht. Zusätzlich wird noch kurz das Thema der Pseudoknoten angeführt. Zwar existieren Pseudoknoten real, jedoch spielen sie für die Sekundärstruktur keine Rolle und sind im Konzept der Energieminimierung nicht darstellbar.
Anschließend wird das Themengebiet der genetischen Algorithmen betrachtet. Nach Einführung wichtiger Grundbegriffe, Eigenschaften und Definitionen wird dargelegt, warum genetische Algorithmen sich als Suchmethoden besser eignen als Methoden der dynamischen Programmierung bzw. analytische Lösungsstrategien. Dazu bedarf es einer prägnanten Gegenüberstellung der drei verschiedenen Suchmethoden, wobei besonders Wert auf die Vor- und Nachteile gelegt wird. Besonders der Aspekt der Robustheit, welcher ein wichtiges Kriterium für die Qualität einer Suchmethode ist, wird bei jedem Verfahren betrachtet.
Im letzten Abschnitt der Seminararbeit wird ein konkretes Modell zur Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur untersucht. Es handelt sich um das Konzept der Energieminimierung, dessen Grundidee auf dynamischer Programmierung beruht. Hierbei wird angenommen, dass die freie Energie der Sekundärstruktur ausschließlich von den Energiebeträgen der Basenpaarungen abhängt, so dass ein iterativer Algorithmus aus Strukturen kürzerer Sequenzen als Gesamtlösung eine Sekundärstruktur minimaler Energie bestimmt. Das Konzept wird in der notwendigen Tiefe vorgestellt, so dass alle Vor- und Nachteile ersichtlich werden.