Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Computational protein design aims at designing amino acid sequences that can fold into a target structure and perform a desired function. Many computational design methods have been developed and their applications have been successful during past two decades. However, the success rate of protein design remains too low to be of a useful tool by biochemists whom are not an expert of computational biology. In this dissertation, we first developed novel computational assessment techniques to assess several state-of-the-art computational techniques. We found that significant progresses were made in several important measures by two new scoring functions from RosettaDesign and from OSCAR-design, respectively. We also developed the first machine-learning technique called SPIN that predicts a sequence profile compatible to a given structure with a novel nonlocal energy-based feature. The accuracy of predicted sequences is comparable to RosettaDesign in term of sequence identity to wild type sequences. In the last two application chapters, we have designed self-inhibitory peptides of Escherichia coli methionine aminopeptidase (EcMetAP) and de novo designed barstar. Several peptides were confirmed inhibition of EcMetAP at the micromole-range 50% inhibitory concentration. Meanwhile, the assessment of designed barstar sequences indicates the improvement of OSCAR-design over RosettaDesign.

S tím, jak se neustále vyvíjejí nové technologie pro energeticky náročná průmyslová odvětví, stávající zařízení postupně zaostávají v efektivitě a produktivitě. Tvrdá konkurence na trhu a legislativa v oblasti životního prostředí nutí tato tradiční zařízení k ukončení provozu a k odstavení. Zlepšování procesu a projekty modernizace jsou zásadní v udržování provozních výkonů těchto zařízení. Současné přístupy pro zlepšování procesů jsou hlavně: integrace procesů, optimalizace procesů a intenzifikace procesů. Obecně se v těchto oblastech využívá matematické optimalizace, zkušeností řešitele a provozní heuristiky. Tyto přístupy slouží jako základ pro zlepšování procesů. Avšak, jejich výkon lze dále zlepšit pomocí moderní výpočtové inteligence. Účelem této práce je tudíž aplikace pokročilých technik umělé inteligence a strojového učení za účelem zlepšování procesů v energeticky náročných průmyslových procesech. V této práci je využit přístup, který řeší tento problém simulací průmyslových systémů a přispívá následujícím: (i)Aplikace techniky strojového učení, která zahrnuje jednorázové učení a neuro-evoluci pro modelování a optimalizaci jednotlivých jednotek na základě dat. (ii) Aplikace redukce dimenze (např. Analýza hlavních komponent, autoendkodér) pro vícekriteriální optimalizaci procesu s více jednotkami. (iii) Návrh nového nástroje pro analýzu problematických částí systému za účelem jejich odstranění (bottleneck tree analysis – BOTA). Bylo také navrženo rozšíření nástroje, které umožňuje řešit vícerozměrné problémy pomocí přístupu založeného na datech. (iv) Prokázání účinnosti simulací Monte-Carlo, neuronové sítě a rozhodovacích stromů pro rozhodování při integraci nové technologie procesu do stávajících procesů. (v) Porovnání techniky HTM (Hierarchical Temporal Memory) a duální optimalizace s několika prediktivními nástroji pro podporu managementu provozu v reálném čase. (vi) Implementace umělé neuronové sítě v rámci rozhraní pro konvenční procesní graf (P-graf). (vii) Zdůraznění budoucnosti umělé inteligence a procesního inženýrství v biosystémech prostřednictvím komerčně založeného paradigmatu multi-omics.