Biološka koda vozlov - identifikacija vzorcev vozlanja v biomolekulah z uporabo umetne inteligence
Razvoj robustne in izvirne računalniške knjižnice za računanje z več vrstami zavozlanih struktur z aplikacijami v resničnem svetu. Razvili bomo Python knjižnico, ki bo vsebovala glavni razred PlanarDiagram, ki bo deloval kot skupen okvir za več vrst zavozlanih struktur, kot so vozli, vozloidi, vezoidi, virtualni vozli, prostorski grafi, ipd.
Trajanje projekta: 01.01.2023 - 31.12.2025
Koordinator projekta: Fakulteta za strojništvo UL
Konzorcijski partnerji: Vodilna agencija: University of Warsaw, Poland
Centre of New Technologies University of WarsawStefana Banacha 2c, 02-097 Warszawa, Polandhttps://cent.uw.edu.pl/en/Vodja poljskega dela projekta: doc. dr. Joanna I. Sulkowska Financer: NCN - National Science Centre (Poljska)
Sodelujoča organizacija:
Masaryk University, Czech RepublicMezirka 8, 60200 Brno, Czech Republichttps://www.muni.cz/enVodja češkega dela projekta: dr. Petr Simecek
Financer: GAČR - Czech Science Foundation
Sodelujoča organizacija: Univerza v Ljubljani, Slovenija, Fakulteta za strojništvo, Aškerčeva cesta 6, 1000 Ljubljana, Slovenija
https://www.fs.uni-lj.si/Vodja slovenskega dela projekta: doc. dr. Boštjan Gabrovšek
Financer: ARIS - Javna agencija za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije
Sodelujoče organizacije znotraj slovenskega dela projekta:
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Slovenija (prijaviteljica), Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta, Slovenija (sodelujoča), Rudolfovo - Znanstveno in tehnološko središče Novo mesto (sodelujoč od 1.10.2024 naprej)
Vodja projekta na {Rudolfovem: doc. dr. Boštjan Gabrovšek
Kontakt: bostjan.gabrovsek@rudolfovo.eu
Spletna stran projekta: https://www.fs.uni-lj.si/project/bioloska-voda-vozlov-identifikacija-vzorcev-vzlanja-v-biomolekulah-z-uporabo-umetne-inteligence/
Sestava projektne skupine s povezavami na podatke v sistemu SICRIS:FS UL (prijaviteljica) Boštjan Gabrovšek https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/32245
Aleš Vavpetič https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/10946
PEF UL (sodelujoča RO)
Boštjan Gabrovšek https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/32245
Eva Horvat https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/31566
Dušan Repovš https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/5995
Rudolfovo (sodelujoča RO od 1.10.2024 naprej)
Boštjan Gabrovšek https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/32245
Faze projekta in opis njihove realizacije (delovni skopi DS):
DS1: načrtovanje, specifikacija in implementacije knjižnice
DS1.1 implementacija razreda PlanarDiagram
Knjižnica je javno dostopna na GitHub repozitoriju [1, COBISS.SI-ID – 191752451]. Razred PlanarDiagram je v celoti implementiran. Podatkovna struktura, ki smo jo uporabili za kodiranje poljubenega diagram je sorodna EM kodi: razred PlanarDiagram vsebuje slovar (dictionary), katerega ključi so vozlišča/križišča (poljubni hashable objekt), vrednosti pa so seznami sosednjih oglišč v nasprotni smeri urinega kazalca. Vsakemu vozlišču, loku/povezavi (paru vozlišč ali križišč) ali licu diagrama lahko priredimo različne atribute, kot so barva, utež, ipd.
DP1.2: manipulacija strukture
Implementirana je večina orodij za manipulacijo struktur [1]:
• Dodajanje/odstranjevanje/spreminjanje komponent diagramov (povezav, križišč, vozlišč,...).
• Reidemeistrovi premiki, ki so ključni za identifikacijo tipov vozlov (Reidemeistrovi premiki I, II, III, IV in V).
• Orientacija neorientirane strukture (kanonična orientacija, vse možne orientacije pri diagramih, ki vsebujejo več komponent).
• Kanonična oblika planarnega diagrama, ki je pomembna pri izdelavi tabel in klasifikacij ter omogoča hitro računanje
DP 1.3 Invariante
V knjižnici [1] smo implementirali naslednje invariante:
• Yamadin polinom (invarianta prostorskega grafa) in drugi sorodni polinomi [6].
• Kauffmanov oklepaj (invarianta vozla) [7, 8].
• “unplugging” invarianta (invarianta prostorskega grafa) [7].
• Bondles invarianta (quandle invarianta vezanega vozloida) [9].
DP1.4: Vizualizacija
V knjižnici KnotPy [1] smo implementirali risanje navedenih struktur iz točke DS1.1. Risanje poteka preko funkcij layout in plot_layout, ki za vhod vzame instanco planarnega diagrama, kot izhod pa vrne sliko/diagram planarnega diagrama (vozla, prostorskega grafa, vezanega vozla,...), ki jo lahko tudi shrani v rasterskem formatu (PNG) ali vektorskem formatu (PDF).
Metoda risanja se sklicuje na Andreevov izrek o pakiranju krogov, ki pravi, da je mogoče vsak ravninski graf realizirati, skoraj edinstveno, kot graf tangentnih krogov narisanih znotraj enotskega diska. To pomeni, da lahko vsakemu vozlišču ali križišču pridružimo disk znotraj enotnega kroga, tako da so notranjosti teh diskov nepovezane in se dotikajo, če so ustrezna vozlišča povezana z robom. Natančno poznavanje koordinat vseh tangentnih točk omogoča, da vsak lok predstavimo z nekaj lepimi gladkimi loki [10], ki se gladko stikajo.
DP4: Dokumentacija in spletno mesto
V knjižnici smo implementirali uporabo orodja Sphinx, ki celotno dokumentacijo knjižnice posodobi za vsak potisk (»push«) na repozitorij. Dokumentacija, ki je še v izdelavi, je dostopna na [11]. Sphinx razvijalcem omogoča pisanje dokumentacije v navadnem besedilu z uporabo oznake reStructuredText in jo nato pretvori v različne izhodne formate, kot so HTML, PDF in ePub. Sphinx ponuja funkcije, kot so navzkrižno sklicevanje, samodejno indeksiranje, možnosti prilagajanja, integracija z orodji za dokumentacijo, kot je Read the Docs, podpora za internacionalizacijo in razširljivost za velike projekte.
Bibliografske reference, ki izhajajo neposredno iz izvajanja projekta:
[1] Gabrovšek, B. (2024). KnotPy. B. Gabrovšek. https://github.com/bgabrovsek/knotpy, COBISS.SI-ID 191752451.
[2] Horvat, E. (2023). Nonsmooth manifold decompositions. Journal of geometry and physics, 194, COBISS.SI-ID 140475139
[3] P. Cavicchioli, R. Cavicchioli, B. Gabrovšek, J. C. Hu, Optical recognition of protein structures using artificial intelligence, v pripravi
[4] P. Cavicchioli, B. Gren & Ž. Virk, Topological data analysis of protein structures: decoding lassos and other motifs, v pripravi
[5] E. Horvat, B. Gabrovšek, On Bondles, članek v pripravi.
[6] Brezovnik, S., & Tratnik, N. (2023). Generalized cut method for computing Szeged-like polynomials with applications to polyphenyls and carbon nanocones. Match, 90(2), 401–427, COBISS.SI-ID 150208771
[7] Gabrovšek, B., & Gügümcü, N. (2023). Invariants of Multi-linkoids. Mediterranean journal of mathematics, 20(3), COBISS.SI-ID 145856259
[8] B. Gabrovšek, M. Simonič, The bracket polynomial of bonded knots and applications to entangles proteins, preprint https://arxiv.org/abs/2502.18999.
[9] E. Horvat, B. Gabrovšek, On Bondles, članek v pripravi.
[10] Vavpetič, A., & Žagar, E. (2023). Optimal approximation of spherical squares by tensor product quadratic Bézier patches. Applied mathematics and computation, 457(128196), 12, COBISS.SI-ID – 161773059.
[11] B. Gabrovšek, et al., Dokumentacija programskega paketa KnotPy, https://bgabrovsek.github.io/knotpy/ (2024).