Using evolutionary algorithms for designing stabilizing protein mutations

Abstract

The aim of this thesis is to compile a literature review on the use of evolutionary algorithms for the design of protein-stabilizing mutations. The theoretical part provides an overview of protein structure and stability, computational methods for predicting the effects of mutations, and the principles of evolutionary algorithms and their use in protein design. Based on this background, a simple genetic algorithm is implemented as a demonstration tool to explore protein mutation space and is applied to the IsPETase enzyme, which is relevant for polyethylene terephthalate (PET) degradation. The goal is to assess whether the algorithm can identify variants with potentially increased thermal stability. The results highlight both the potential and limitations of this approach, showing that evolutionary algorithms can efficiently explore large combinatorial spaces, while their performance strongly depends on the quality of the fitness function and algorithm design. Key words: stability, genetic algorithm, PETase, protein design

Cílem této práce je zpracovat literární rešerši zaměřenou na využití evolučních algoritmů při návrhu stabilizujících mutací proteinů. Teoretická část práce se věnuje proteinové struktuře a stabilitě, výpočetním metodám pro predikci efektu mutací a principům evolučních algoritmů a jejich využití v proteinovém designu. Na základě tohoto teoretického přehledu je implementován jednoduchý genetický algoritmus jako demonstrační nástroj pro prohledávání mutačního prostoru proteinů, který je aplikován na enzym IsPETáza, relevantní pro rozklad polyethylentereftalátu (PET). Cílem je zjistit, zda je tento algoritmus schopen identifikovat varianty s potenciálně zvýšenou teplotní stabilitou. Výsledky ukazují jak potenciál této metody, tak i její omezení, přičemž potvrzují, že evoluční algoritmy dokážou efektivně prozkoumávat velké kombinatorické prostory, avšak jejich výkon silně závisí na kvalitě fitness funkce a návrhu algoritmu. Klíčová slova: stabilita, genetický algoritmus, PETáza, proteinový design