Proteins in nature fold to one dominant native structure. Despite being a heavily studied field, predicting the native structure from the amino acid sequence and modeling the folding process can still be considered unsolved problems. In this thesis I present a new approach to this problem with methods borrowed from theoretical physics. In the first part I show how it is possible to use a discrete Frenet frame to define the discrete curvature and torsion of the main chain of the protein. This method is then extended to the side chains as well. In particular I show how to use the discrete Frenet frame to produce a statistical distribution of angles that works in similar fashion as the commonly used Ramachandran plot and side chain rotamers. The discrete Frenet frame displays a gauge symmetry, in the choice of basis vectors on the normal plane, that is reminiscent of features of Abelian-Higgs theory. In the second part of the thesis I show how this similarity with Abelian-Higgs theory can be translated into an effective energy for a protein. The loops of the proteins are shown to correspond to solitons so that the whole protein can be constructed by gluing together any number of solitons. I present results of simulating proteins by minimizing the energy, starting from a real line or straight helix, where the correct native fold is attained. Finally the model is shown to display the same phase structure as real proteins.

<p>Applikationen Chemical Force Feedback (CFF) för haptisk och visuell molekylrendering som har utvecklats på Linköpings Universitet för att testa nyttan av haptik för undervisning av protein-ligand dockning för molekylär livsvetenskap behöver förbättras på ett antal punkter för att bättre kunna fungera som ett komplett</p><p>molekylvisualiserings-verktyg. Tidigare projekt som utvecklat applikationen har fokuserat mestadels på den haptiska delen av programmet, vilket gjort att den visuella aspekten kommit efter. Det här examensarbetet har implementerat diverse ny funktionalitet både för att förbättra direkt kännbara aspekter av programmet, samt att lägga grunden för framtida utökningar.</p><p>De huvudsakliga förbättringarna som det här exjobbet resulterat i inkluderar: För det första, integration av DSSP-algoritmen i programmet har gjort information om sekundärstrukturen hos protein tillgänglig för visualisering. För det andra, ett nytt renderings-system tillåter rendering av semitransparenta ytor på ett korrekt sätt samtidigt som det skapar en program-struktur som bättre lämpar sig för implementation av nya molekylrepresentationer. För det tredje, en filvals-komponent som fungerar i den haptiska scengrafen har designats för att göra programmets användargränssnitt mer tillgängligt.</p> / <p>The Chemical Force Feedback (CFF) visual and haptic molecule rendering application, being developed at Linköping University to evaluate the use of haptics as a teaching tool for protein-ligand docking in molecular life science requires several additional features to function as a mature protein visualization tool. Previous developments of the application have focused mostly on the haptic part of the program, leaving the visual representation somewhat under-developed.</p><p>This thesis project has implemented various features in order to both improve the immediate functionality of the application as well as lay down the foundation for future additions.</p><p>The main contributions of this thesis include: Firstly, integration of the DSSP algorithm has provided the application with secondary structure information for the protein visualization. Secondly, a new rendering system has provided support for rendering transparent surfaces in a correct way as well as simplifying future addition of new visual representations of molecules. Thirdly, a file-selection dialog have been implemented using the haptic scenegraph as a step toward the goal of making the user interface of the application more user-friendly.</p>

Applikationen Chemical Force Feedback (CFF) för haptisk och visuell molekylrendering som har utvecklats på Linköpings Universitet för att testa nyttan av haptik för undervisning av protein-ligand dockning för molekylär livsvetenskap behöver förbättras på ett antal punkter för att bättre kunna fungera som ett komplett molekylvisualiserings-verktyg. Tidigare projekt som utvecklat applikationen har fokuserat mestadels på den haptiska delen av programmet, vilket gjort att den visuella aspekten kommit efter. Det här examensarbetet har implementerat diverse ny funktionalitet både för att förbättra direkt kännbara aspekter av programmet, samt att lägga grunden för framtida utökningar. De huvudsakliga förbättringarna som det här exjobbet resulterat i inkluderar: För det första, integration av DSSP-algoritmen i programmet har gjort information om sekundärstrukturen hos protein tillgänglig för visualisering. För det andra, ett nytt renderings-system tillåter rendering av semitransparenta ytor på ett korrekt sätt samtidigt som det skapar en program-struktur som bättre lämpar sig för implementation av nya molekylrepresentationer. För det tredje, en filvals-komponent som fungerar i den haptiska scengrafen har designats för att göra programmets användargränssnitt mer tillgängligt. / The Chemical Force Feedback (CFF) visual and haptic molecule rendering application, being developed at Linköping University to evaluate the use of haptics as a teaching tool for protein-ligand docking in molecular life science requires several additional features to function as a mature protein visualization tool. Previous developments of the application have focused mostly on the haptic part of the program, leaving the visual representation somewhat under-developed. This thesis project has implemented various features in order to both improve the immediate functionality of the application as well as lay down the foundation for future additions. The main contributions of this thesis include: Firstly, integration of the DSSP algorithm has provided the application with secondary structure information for the protein visualization. Secondly, a new rendering system has provided support for rendering transparent surfaces in a correct way as well as simplifying future addition of new visual representations of molecules. Thirdly, a file-selection dialog have been implemented using the haptic scenegraph as a step toward the goal of making the user interface of the application more user-friendly.