diplomová práce

Predikce biosyntetických genových klastrů pomocí výpočetních metod

Text práce 13.69 MB Příloha 28.84 kB

Autor práce: Ing. Martina Pražáková

Ak. rok: 2025/2026

Vedoucí: Ing. Markéta Jakubíčková, Ph.D.

Oponent: Ing. Jana Musilová, Ph.D.

Abstrakt:

Biosynthetic gene clusters (BGCs) are genomic regions responsible for the production of secondary metabolites with diverse biological activities. Among them, ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs) represent a highly diverse class of natural products whose associated gene clusters are often difficult to detect using a single computational approach. This work applies a multi-tool strategy
for the detection of RiPP-associated BGCs, evaluating eight bioinformatic tools — including rule-based methods and machine learning–based approaches — on a dataset of fifteen bacterial genomes isolated from Antarctic environments. Prediction outputs were systematically compared and subsequently used for similarity network analysis with BiG-SCAPE in combination with reference clusters from the MIBiG database. Several
gene cluster families lacking experimentally characterized reference clusters were identified, suggesting the presence of potentially novel RiPP-associated biosynthetic pathways. The results demonstrate the complementary nature of different prediction approaches and highlight the importance of combining multiple computational tools for a more comprehensive exploration of microbial biosynthetic potential.

Klíčová slova:

Biosyntetické genové klastry (BGCs) představují genomové oblasti zodpovědné za produkci sekundárních metabolitů s rozmanitými biologickými aktivitami. Mezi nimi tvoří ribozomálně syntetizované a posttranslačně modifikované peptidy (RiPPs) vysoce diverzifikovanou
skupinu přírodních látek, jejichž genové klastry bývá často obtížné spolehlivě
detekovat pomocí jediného výpočetního přístupu. Tato práce využívá multi-tool strategii pro detekci RiPP-asociovaných BGCs a hodnotí osm bioinformatických nástrojů zahrnujících jak rule-based metody, tak přístupy založené na strojovém učení na datasetu patnácti bakteriálních genomů izolovaných z antarktického prostředí. Výstupy jednotlivých nástrojů byly systematicky porovnány a následně využity pro analýzu podobnostních sítí
pomocí nástroje BiG-SCAPE v kombinaci s referenčními klastry z databáze MIBiG. Bylo identifikováno několik rodin biosyntetických genových klastrů bez odpovídajících experimentálně charakterizovaných referenčních klastrů, což naznačuje přítomnost potenciálně nových RiPP-asociovaných biosyntetických drah. Výsledky ukazují komplementární charakter
jednotlivých predikčních přístupů a zdůrazňují význam kombinace více výpočetních metod pro komplexnější průzkum biosyntetického potenciálu mikroorganismů.

Termín obhajoby

15.06.2026

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaAznamka

Klasifikace

A

Průběh obhajoby

Studentka prezentovala výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Doc. Šafránek položil otázku: Jak byla implementace analýzy technicky provedena? Jak jsou metody reprodukovatelné a zobecnitelné? Prof. Provazník položila otázku: Jaké dovednosti jste se díky práci naučila? Co je nejdůležitějším výsledkem práce? Mělo by smysl vytvořit jeden komplexní nástroj místo stávajících? Ing. Němcová položila otázku: Jak jste vybírala nástroje pro analýzy? Lze nástroje nastavit z hlediska citlivosti? Studentka obhájila diplomovou práci a odpověděla na otázky členů komise a oponenta.

Jazyk práce

angličtina

Fakulta

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Ústav

Ústav biomedicínského inženýrství

Studijní program

Biomedicínské inženýrství a bioinformatika (MPC-BTB)

Složení komise

doc. RNDr. David Šafránek, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Valentýna Provazník, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Markéta Jakubíčková, Ph.D. (člen)
Ing. Roman Jakubíček, Ph.D. (člen)
Ing. Andrea Němcová, Ph.D. (člen)

Posudek vedoucího
Ing. Markéta Jakubíčková, Ph.D.

Studentka Martina Pražáková vypracovala diplomovou práci zaměřenou na detekci biosyntetických genových klastrů u bakterií pocházejících z Antarktidy pomocí nástrojů využívajících různé metody detekce. Práce obsahuje od úvodu po závěr 75 stran a odkazuje se na 59 relevantních zahraničních zdrojů.
Teoretická část práce popisuje biosyntetické genové klastry, jejich možné dělení a dále se zaměřuje zejména na ribozomálně syntetizované a posttranslačně modifikované peptidy (RiPPy), které jsou stěžejní pro tuto práci. Součástí práce je také přehled existujících přístupů a nástrojů pro detekci biosyntetických klastrů a RiPPů, ve kterém je popsáno celkem 10 metod. Teoretická část je tedy poměrně obsáhlá, ale zároveň relevantní k tématu práce.
V praktické části studentka vyzkoušela na poskytnutém datasetu 15 antarktických bakterií celkem 8 nástrojů, což je nad rámec zadání a oceňuji to. Zároveň testovala vliv různých anotačních strategií na výsledky jednotlivých nástrojů. Výsledky ze 6 nástrojů byly porovnány a na jejich základě byly vybrány dva nejvhodnější nástroje, jejichž výstupy byly dále využity pro analýzu pomocí podobnostních sítí zaměřenou na hledání potenciálně nových RiPP-asociovaných biosyntetických genových klastrů.
Vzhledem k omezenému datasetu bylo identifikováno pouze 5 menších rodin genových klastrů, které byly dále porovnány z hlediska genového obsahu. Práce nicméně představuje ucelený praktický framework pro prioritizaci a analýzu kandidátních RiPP biosyntetických klastrů, který by při aplikaci na větším datasetu mohl vést k biologicky významnějším výsledkům.
Po formální stránce je práce na dobré úrovni. Práce je psána v angličtině srozumitelně a většinou bez stylistických nedostatků.
Studentka na práci během semestru aktivně pracovala, na konzultace chodila dle potřeby připravená a s věcnými dotazy.
Práci tedy doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm A/95 bodů. Výsledný počet bodů navržený vedoucím: 95

Známka navržená vedoucím: A

Posudek oponenta
Ing. Jana Musilová, Ph.D.

Teoretická část je pečlivě zpracována, svědčí o důkladném nastudování problematiky a obsahuje veškeré potřebné informace pro uvedení čtenáře do tématu. Některé sekce by mohly být stručnější, což ale uvádím jako osobní pohled na práci, ne jako výtku.

Stejná kvalita je patrná i v popisu praktické části, která přehledně a detailně popisuje všechny kroky postupu. Samotné řešení je logicky strukturováno a jednotlivé kroky na sebe smysluplně navazují. Výběr použitých nástrojů i jejich množství nad rámec zadání (osm nástrojů namísto požadovaných pěti) oceňuji, stejně jako časovou náročnost spojenou s jejich zprovozněním a osvojením.

Spojení do snadno spustitelného skriptu, případně jednoduchého uživatelského rozhraní, by práci dále zhodnotilo. Drobnou výtku mám ke skriptům, které často obsahují natvrdo zadané cesty k souborům. To je jednak nepoužitelné pro další uživatele a jednak z hlediska zveřejnění rizikové. 

Popis i diskuze výsledků v kapitolách 6 a 7 jsou kvalitní; výsledky jsou nejen věcně popsány, ale i skutečně diskutovány, včetně limitací datasetu a zdůraznění čistě výpočetní povahy nálezů.

Po formální stránce hodnotím práci taktéž jako výbornou.

Celkově zadání považuji za splněné nad rámec požadavků. Navrhuji hodnocení A / 92 bodů. Výsledný počet bodů navržený oponentem: 92

Známka navržená oponentem: A

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová