I nd o ne s ia n J o urna l o f   E lect rica l En g ineering   a nd   Co m pu t er   Science   Vo l.   37 ,   No .   2 ,  Feb r u ar y   20 25 ,   p p .   1 2 9 4 ~1 3 0 5   I SS N:  2 502 - 4 7 52 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijee cs .v 37. i 2 . p p 1 2 9 4 - 1 3 0 5          1294     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ee cs . ia esco r e. co m   H y dro pho bicity s ig na l ana ly sis  f o r robus t  SA RS - Co V - 2  cla ss ificatio n       M o ha m m a d J a m hu ri 1, 2 ,   M o ha m m a d Is a   I ra wa n 1 ,   I m a m Mu k hla s h 1 ,   Ni  Ny o m a n T ri  P us pa ni ng s ih 3   1 D e p a r t me n t   o f   M a t h e m a t i c s ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e   a n d   D a t a   A n a l y t i c s,   I n st i t u t   Te k n o l o g i   S e p u l u h   N o p e mb e r ,   S u r a b a y a ,   I n d o n e si a   2 D e p a r t me n t   o f   M a t h e m a t i c s ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e   a n d   T e c h n o l o g y ,   U n i v e r si t a s I sl a m N e g e r i   M a u l a n a   M a l i k   I b r a h i m,  M a l a n g ,   I n d o n e s ia   3 D e p a r t me n t   o f   C h e m i st r y ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e   a n d   Te c h n o l o g y ,   U n i v e r si t a s   A i r l a n g g a ,   S u r a b a y a ,   I n d o n e si a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   25 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Sep   24 ,  2 0 2 4   Acc ep ted   Sep   30 ,   2 0 2 4       Ra p id   a n d   a c c u ra te  c las sifica ti o n   o f  v iral  p a t h o g e n s  is  c rit ica l  fo r   e ffe c ti v e   p u b li c   h e a lt h   i n terv e n t io n s.  Th is   stu d y   i n tr o d u c e s  a   n o v e l  a p p r o a c h   u sin g   c o n v o lu ti o n a l  n e u ra l  n e two r k s  ( CNN )  to   c las sify   S AR S - Co V - 2   a n d   n o n - S ARS - Co V - 2   v ir u se s  v ia  h y d ro p h o b icity   sig n a l  d e ri v e d   fr o m   DN A   se q u e n c e s.  Co n v e n ti o n a l  m a c h i n e   lea rn in g   m e th o d s  g ra p p le  with   th e   v a riab il it y   o f  v iral  g e n e ti c   m a teria l,   re q u iri n g   fi x e d - len g t h   se q u e n c e s  a n d   e x ten siv e   p re p ro c e ss in g .   Th e   p ro p o se d   m e th o d   tra n sfo rm s  g e n e ti c   se q u e n c e s  in to   ima g e - b a se d   re p re se n tati o n s,   e n a b li n g   CNN s  t o   h a n d le  c o m p l e x it y   a n d   v a riab il it y   wit h o u t  t h e se   c o n str a i n ts.  Th e   d a tas e t  in c lu d e s  8 , 1 4 3   DN A  se q u e n c e s  fro m   se v e n   c o r o n a v ir u se s,  tran sla ted   in t o   a m in o   a c id   se q u e n c e s  a n d   e v a lu a ted   f o r  h y d ro p h o b icity .   Ex p e rime n tal  re su lt s  d e m o n stra t e   th a t  th e   CNN   m o d e l  a c h iev e s  su p e rio r   p e rfo rm a n c e ,   wit h   a n   a c c u ra c y   o f   o v e r   9 9 . 8 4 %   in   t h e   c las sifica ti o n   tas k .   Th e   m o d e l  a lso   p e rfo rm s  we ll   with   e x ten d e d   se q u e n c e   len g t h s,  s h o wc a sin g   ro b u st n e ss   a n d   a d a p tab il it y .   Co m p a re d   to   p re v io u s   stu d ies ,   th is  m e th o d   o ffe rs  h i g h e r  a c c u ra c y   a n d   c o m p u tati o n a l  e fficie n c y ,   p ro v i d in g   a   re li a b le  so lu ti o n   f o r  ra p id   v iru s   d e tec ti o n   wi th   p o te n ti a l  a p p li c a ti o n s in   b i o in f o rm a ti c s a n d   c li n ica l  s e tt in g s.   K ey w o r d s :   C o n v o lu tio n al  n eu r al  n etwo r k s   Gen etic  s eq u en cin g   Ky te - Do o litt le  s ca le   Ma ch in e  lear n in g   Vir u s   id en tific atio n     T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Mo h am m ad   I s a  I r awa n   Dep ar tm en t o f   Ma th em atics,  Facu lty   o f   Scien ce   a n d   Data   An aly tics   I n s titu t  T ek n o lo g i Sep u lu h   No p em b er   Su r ab ay a,   I n d o n esia   E m ail: m ii@ it s . ac . id       1.   I NT RO D UCT I O N   Gen o m ics  h as  tr an s f o r m ed   t h e  u n d e r s tan d in g   o f   b io lo g ical  p r o ce s s es  an d   d is ea s e  m ec h an is m s .   Hig h - th r o u g h p u t  s eq u en cin g   tech n o lo g ies  h av e  g e n er ate d   v ast  am o u n ts   o f   g en o m ic   d ata,   n ec ess itatin g   ad v an ce d   co m p u tatio n al  m et h o d s   f o r   an aly s is   [ 1 ] .   T h e   r ap id   m u tatio n   a n d   s p r ea d   o f   v ir u s es  lik e  SAR S - C o V - 2   u n d e r s co r e  th e  u r g e n cy   f o r   r o b u s t g en o m ic  an aly s is   tech n i q u es to   tr ac k   e v o lv in g   p ath o g e n s   [ 2 ] .   H y d r o p h o b i c i t y ,   a   f u n d a m e n t a l  p r o p e r t y   o f   a m i n o   a c i d s ,   s i g n i f i c a n t l y   i m p ac ts   p r o t e i n   f o l d i n g ,   s t a b il i t y ,   a n d   i n t e r a c t i o n s   [ 3 ] .   H y d r o p h o b i c   i n t e r a c ti o n s ,   w h e r e   n o n - p o l a r   a m i n o   a c i d   r es i d u e s   cl u s te r   a w a y   f r o m   w a t e r ,   h e l p   m a i n t ai n   p r o t e i n   s ta b i l it y   a n d   f a c il i t at e   p r o p e r   f o l d i n g   [4 ] .   A   d e t ai l e d   u n d e r s t a n d i n g   o f   t h e   h y d r o p h o b i c   p r o f i l e   o f   p r o t e i n s   is   es s e n ti a l   f o r   r e v e a l i n g   t h e   m e c h a n is m s   b e h i n d   t h e i r   s t r u ct u r e   a n d   f u n c t io n   [ 5 ] .   Hy d r o p h o b ic   p r o tein   r eg i o n s   m ain tain   s tr u ctu r al  in teg r it y   b y   b ein g   en clo s ed   with in   th e  co r e,   co n t r ib u tin g   to   s tab ilit y   an d   t h r ee - d im en s io n al  c o n f o r m atio n   [ 6 ] .   T h ese  r eg io n s   ar e   cr u cial  f o r   p r o tein - p r o tein   a n d   p r o t e i n - l i g a n d   i n t e r a c t i o n s ,   v i t a l   f o r   u n d e r s t a n d i n g   v i r a l   m e c h a n i s m s   a n d   i d e n t i f y i n g   t h e r a p e u t i c   t a r g e t s   [ 7 ] .   Ma ch in e  lear n in g   m o d els  ca n   lev er ag e  h y d r o p h o b icity   p r o f iles   as  b io lo g ically   r elev an t  f ea tu r es,  ef f ec tiv ely   r e p r e s e n t i n g   g e n e t i c   i n f o r m a t i o n   a n d   f a c i l i t a t i n g   d a t a   a n a l y s i s   t h r o u g h   c o n v o l u t i o n a l   n e u r a l   n e t w o r k s   ( C N N s )   [ 8 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52         Hyd r o p h o b icity  s ig n a l a n a lysi s   fo r   r o b u s t S A R S - C o V - 2   cla s s ifica tio n   ( Mo h a mma d   J a mh u r i)   1295   B y   co n v er tin g   g en etic  s eq u e n ce s   in to   h y d r o p h o b icity - b ased   v is u al  r ep r esen tatio n s ,   th e  co m p lex ity   o f   v ir al   g en etic  d ata   ca n   b e   m an ag e d   m o r e  e f f icien tly ,   s u r p ass in g   th e   ca p ab ilit ies  o f   tr ad itio n al  s eq u en ce - b ased   m eth o d s   [ 5 ] .   C lass if y i n g   S AR S - C o V - 2   a n d   n o n - SAR S - C o V - 2   s e q u e n c es  is   c r u ci al  f o r   u n d e r s t a n d in g   v i r a l   g e n o m es   a n d   h as   s i g n if i ca n t   i m p lic ati o n s   f o r   d r u g   d is c o v e r y   [ 9 ] .   A cc u r at e   cl ass i f ic a tio n   h el p s   i d e n t if y   co n s e r v e d   r e g i o n s   w it h i n   t h e   S AR S - C o V - 2   g e n o m e ,   ess en tia l   f o r   d e v el o p i n g   a n ti v ir al  d r u g s   tar g eti n g   k e y   v i r al   f u n cti o n s   a n d   r e p l ic ati o n   p r o c ess es  [ 1 0 ] .   T h is   c lass i f i ca t io n   also   a id s   i n   m o n i to r i n g   m u ta ti o n s   t h a t  m a y   af f e ct  t h e   v i r u s ' s   s u s c e p t i b i l i t y   t o   t r e a t m e n t s ,   g u i d i n g   t h e   d e v e l o p m e n t   o f   e f f e c t i v e   d r u g s   a g a i n s t   e m e r g i n g   v a r i a n t s   [ 1 1 ] .   Fu r th e r m o r e ,   i n s i g h ts   f r o m   t h i s   c lass i f i ca t io n   c a n   i n f o r m   t h e   d esi g n   o f   b r o ad - s p e ct r u m   a n t iv i r a ls   b y   r e v e ali n g   co m m o n   v u l n e r a b i liti es  ac r o s s   d if f e r e n t   v i r u s es,   w h ic h   is   cr u c ial   f o r   p r e p a r i n g   ag ai n s t   f u tu r e  c o r o n a v ir u s   o u t b r ea k s   [ 1 2 ] .   A d d it io n all y ,   ac c u r at e  class if ica ti o n   ass is ts   in   id e n ti f y i n g   e p it o p es   f o r   v a cc i n e   d e v el o p m e n t,   ac c ele r a tes   d r u g   d is c o v e r y   t h r o u g h   h i g h - t h r o u g h p u t   s cr ee n i n g   a n d   s tr u ct u r e - b as e d   d esi g n ,   an d   u lti m a tel y   l ea d s   to   m o r e   e f f ec t iv e  t h e r a p e u ti c  i n te r v e n t io n s   a n d   i m p r o v e d   p u b li c  h e a lt h   o u t c o m es  [ 1 3 ] .   T r ad i tio n al  m eth o d s ,   s u ch   as  p o ly m er ase  ch ain   r ea ctio n   ( P C R )   [ 3 ] ,   s eq u en cin g   [ 4 ] ,   a n d   s er o lo g ical  ass ay s   [ 5 ] ,   o f ten   g r ap p le  with   th e  co m p lex ity   an d   v ar ia b ilit y   o f   v ir al  g e n etic  m ater ial,   u n d er s co r in g   t h e  n ee d   f o r   ad v an ce d   c o m p u tatio n al  ap p r o ac h es.  E ar ly   m ac h in e - le ar n in g   tech n iq u es  ap p lied   to   v ir al  s tu d ies  h av e  ty p ically   f o cu s ed   o n   th e  d ir ec t  an aly s is   o f   DNA  o r   R N A  s e q u en ce s   [ 1 4 ] .   T h ese  tech n iq u es  ty p ically   r eq u ir e  f ix ed   in p u t le n g th s   an d   in v o lv e  ex ten s iv e  p r ep r o ce s s in g   to   ex tr ac t m ea n in g f u l f ea tu r es f r o m   g en etic  d ata  [ 1 5 ] .  C o n v en tio n al  s eq u en ce - b ase d   m ac h in e  lear n in g   m o d els  [ 1 6 ]   f ac e  s ig n if ican t  ch allen g es  in   h an d lin g   th e  v ar iab ilit y   an d   co m p lex ity   o f   v ir al  g en etic  m ater ial,   lim itin g   th eir   ef f ec tiv en ess   an d   ad a p tab ilit y .   Stu d ies  on  m etag en o m ic  s eq u en ce   class i f icatio n   [ 1 7 ]   h ig h lig h t  th ese   lim itatio n s   an d   u n d e r s co r e  th e  n ee d   f o r   m o r e   f lex ib le  an d   ef f icien t  s o lu tio n s .   Mo r eo v er ,   th e  n ee d   f o r   u n if o r m   s eq u en ce   len g th s   an d   ex p er t - d r iv e n   f ea tu r e   s elec tio n   ca n   d elay   cr itical  r es p o n s es d u r in g   o u tb r ea k s .   R ec en t  ad v an ce m e n ts   in   d ee p   lear n in g ,   p ar ticu lar ly   C NNs,  o f f er   p r o m is in g   s o l u tio n s   b y   tr an s f o r m in g   g en etic  s eq u en ce s   in to   im ag e - b ased   r ep r esen tatio n s   [ 1 8 ] ,   [ 1 9 ] .   T h ese  ap p r o ac h es  en ab le   h an d lin g   c o m p lex   a n d   v ar ia b le  g en etic  d ata  m o r e  ef f ec tiv ely   th an   tr ad itio n al  m eth o d s .   Ho wev er ,   p r e v io u s   s tu d ies  h av e  n o t  f o c u s ed   o n   h y d r o p h o b icity   s ig n als,  leav i n g   a  g ap   in   lev e r ag in g   th is   b io lo g ically   r elev a n t   f ea tu r e  f o r   g e n o m ic  an aly s is .   B y   in teg r atin g   h y d r o p h o b ici ty   p r o f iles   in to   th e  an aly s is ,   we  ca n   p o ten tially   im p r o v e  t h e  ac cu r ac y   an d   ef f i cien cy   o f   v ir al  class if icatio n .   T h is   s tu d y   p r o p o s es  a  n o v el  a p p r o ac h   to   v ir al   cla s s if icatio n   b y   lev e r ag in g   C NNs  an d   h y d r o p h o b icity   im ag es  d er iv e d   f r o m   DNA  s eq u en ce s .   B y   tr an s f o r m in g   g en etic  s eq u en ce s   in to   h y d r o p h o b icity - b ased   v is u al   r ep r esen tatio n s ,   we  en a b le  C NNs  to   h an d le  v ir al  g en etic  d ata' s   in h er en t  co m p lex ity   a n d   v ar iab ilit y   m o r e   ef f ec tiv ely .   T h is   ap p r o ac h   r ed u ce s   th e  n ee d   f o r   ex ten s iv e  p r ep r o ce s s in g   an d   f i x ed   i n p u t   len g th s ,   p r o v id i n g   a   f lex ib le  an d   e f f icien t so lu tio n   f o r   v ir al  class if icatio n .   Ou r   wo r k   p r esen ts   s ev er al  u n iq u e  c o n tr ib u tio n s   th at  d i s tin g u is h   it  f r o m   e x is tin g   liter atu r e:   “   i)   in n o v ativ e   u s e  o f   h y d r o p h o b icity   s ig n als:   we  in tr o d u ce   a   n o v el  m eth o d   f o r   r e p r esen tin g   g en etic   in f o r m atio n   u s in g   h y d r o p h o b i city   s ig n als  d er i v ed   f r o m   DN A  s eq u en ce s ,   a   f ea tu r e  n o t   ex p lo r ed   b y   tr ad itio n al  n u cleo tid e - b ased   m eth o d s ,   ii)   ap p licatio n   o f   C NN:  l ev er ag in g   C NNs,  we  tr an s f o r m   g en etic  s eq u en ce s   in to   h y d r o p h o b icity - b ased   v is u al  r ep r esen tatio n s ,   en h a n cin g   t h e  m o d el’ s   ab ilit y   to   p r o ce s s   co m p lex   an d   v ar ia b le  v ir al  g en etic  d ata ,   iii)  im p r o v ed   f lex ib ilit y   an d   ef f icien cy :  o u r   m eth o d   ad d r ess es  th e  lim i tatio n s   o f   co n v en tio n al  s eq u en ce - b ased   m o d els,  s u ch   as  th e  r eq u ir em en t  f o r   f ix ed   s eq u e n ce   len g th s   an d   ex ten s iv e   f ea tu r e  ex tr ac tio n ,   o f f er in g   a  m o r e  ad a p tab le  an d   ef f icien t a p p r o ac h   to   v i r al  class if icatio n .   T h e  r em ain d er   o f   th is   p a p er   i s   s tr u ctu r ed   as  f o llo ws:   s ec tio n   2   d etails  th e  m eth o d o lo g y ,   in clu d in g   d ata  co llectio n ,   p r e p ar atio n ,   m o d el  im p lem en tatio n ,   an d   e x p er im en tal  s etu p .   Sectio n   3   p r esen ts   th e  r esu lts   an d   d is cu s s io n ,   co m p a r in g   th e  p er f o r m an ce   o f   o u r   C NN - b ased   ap p r o ac h   with   b aselin e  m ac h in e   lear n in g   m o d els an d   p r ev io u s   s tu d ies.  Fin ally ,   Sectio n   4   co n clu d es t h e  p ap er   an d   s u g g ests   f u tu r e  r esear ch   d ir ec tio n s .       2.   M E T H O D   T h is   s ec tio n   o u tlin es  th e  d ata   co llectio n ,   p r ep r o ce s s in g ,   m o d el  im p lem en tatio n ,   an d   ex p er im en tal   s etu p   u s ed   in   th is   s tu d y .   T h e  f o cu s   is   o n   class if y in g   SA R S - C o V - 2   an d   n o n - SAR S - C o V - 2   v ir u s es  u s in g   co n v o l u tio n al  n eu r al   n etwo r k s   ( C NN)   with   h y d r o p h o b ic ity   s ig n als  d er iv e d   f r o m   D NA  s eq u en ce s .   T h e  ap p r o ac h   ad d r ess es th e  lim itat io n s   o f   co n v en tio n al  m eth o d s   th at  r eq u ir e  f ix ed - le n g th   s eq u e n ce s   an d   ex ten s iv e  f ea tu r e  ex tr ac tio n   p r e p r o ce s s in g .     2 . 1 .     Da t a   c o llect io n   W e  co llected   DNA  s eq u en ce s   o f   s ev en   co r o n a v ir u s es,  ca teg o r ized   i n to   SAR S - C o V - 2   an d   n o n - SAR S - C o V - 2   class es.  T h ese  s eq u en ce s   wer e  o b tain ed   f r o m   th e  NC B I   v ir u s   d ata b ase  b y   s ea r ch in g   f o r   th e   d esi r ed   v ir u s   t y p e  at  www. n cb i.n lm . n ih . g o v /lab s /v ir u s .   T h e  d ataset  co m p r is es  8 , 1 4 3   s am p les,  with   4 , 1 5 6   class if ied   as  n o n - SAR S - C o V - 2   an d   3 , 9 8 7   as  SAR S - C o V - 2 .   T h ese  s eq u en ce   len g th s   r an g e d   f r o m   8   to   3 1 , 1 0 4   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci ,   Vo l.  37 ,   No .   2 ,  Feb r u a r y   20 25 :  1 2 9 4 - 1 3 0 5   1296   b ase  p air s   ( b p s ) .   Deta iled   in f o r m atio n ,   in cl u d in g   t h e  n u m b er   o f   s eq u en ce s   an d   t h eir   len g th   r an g es  f o r   ea ch   v ir u s   ty p e,   is   s u m m ar ize d   in   T ab le  1 .       T ab le  1 .   Deta iled   d escr ip tio n   o f   th e  co r o n a v ir u s   d ataset   N a mes   N u mb e r s  o f   se q u e n c e s   M i n .   l e n g t h   M a x .   l e n g t h   C l a s s   H C o V - O C 4 3   1 , 1 4 9   8   3 1 , 1 0 4   0   H C o V - 2 2 9 E   6 1 9   20   2 8 , 7 5 4   0   H C o V - H K U 1   4 1 2   81   3 0 , 1 4 4   0   H C o V - N L6 3   6 6 9   81   2 7 , 8 3 3   0   M E R S - C o V   1 , 2 5 9   1 1 0   3 0 , 4 8 4   0   S A R S - C o V   18   1 5 8   2 9 , 7 5 1   0   S A R S - C o V - 2   3 , 9 8 7   2 7 8   2 9 , 9 0 9   1       2 . 2 .     Da t a   prepa ra t i o n   T h e  DNA  s eq u en ce s ,   c o n s is tin g   o f   th e   n u cle o tid e  b ases   ad e n in e  ( A) ,   cy to s in e  ( C ) ,   g u an in e  ( G) ,   a n d   th y m in e  ( T ) ,   wer e  tr an s lated   in to   am in o   ac id   s eq u en ce s   u s in g   th e  s tan d ar d   g en etic  co d e.   T h is   tr an s latio n   in v o lv es  r ea d i n g   th e   DNA  s eq u en ce   in   tr ip lets   o f   n u cleo ti d es,  k n o wn   as  co d o n s ,   ea ch   co r r esp o n d in g   t o   a   s p ec if ic  am in o   ac id   o r   a   s to p   s ig n al  [ 2 0 ] .   Giv en   a  DNA  s eq u en ce   = { 1 , 2 , … , }   wh er e    r ep r esen ts   th e  - th   n u cleo ti d e,   th e   tr an s latio n   f u n ctio n     co n v e r ts   ev er y   tr i p l et  ( 3 − 2 , 3 − 1 , 3 )    in to   a n   a m in o   ac id     u n til  th e  en d   o f   th e  s eq u en ce   is   r ea ch ed .   I f     is   n o t  a  m u ltip le  o f   3 ,   th e  r e m ain in g   n u cleo ti d es  ar e  ig n o r e d .   Ma th em atica lly ,   th e  tr an s latio n   ca n   b e   d escr ib ed   as in   ( 1) :     = ( ) = { ( 3 − 2 , 3 − 1 , 3 ) | = 1 , 2 , … , ⌊ 3 ⌋ }     ( 1 )     wh er e  T   is   th e  m ap p in g   f u n cti o n   f r o m   co d o n s   to   a m in o   ac id s   b ased   o n   th e  s tan d a r d   g e n eti c  co d e.   Hy d r o p h o b icity   p r o f iles   wer e  g en er ated   f o r   ea ch   am in o   ac id   s eq u en ce   to   cr ea te  i m ag e - b ased   r ep r esen tatio n s .   W e  em p lo y e d   th e  Ky te - Do o litt le   s ca le  [ 2 1 ] ,   a  wid ely   u s ed   m ea s u r e  f o r   h y d r o p h o b icity ,   to   q u an tify   th e  h y d r o p h o b icity   o f   am in o   ac id   r esid u es.  Ma th em atica lly ,   th e  h y d r o p h o b icit y   v alu e  H  f o r   ea ch   am in o   ac id   i  is   r ep r esen ted   as  ,   wh er e  i  d en o tes  th e  p o s itio n   in   th e  am in o   ac id   s eq u en ce .   Giv en   an   am in o   ac id   s eq u en ce   { 1 , 2 , … , } ,   wh er e   n   is   th e   len g th   o f   th e   s eq u en ce ,   ea c h   am in o   ac id     is   tr an s f o r m ed   in t o   its   co r r esp o n d i n g   h y d r o p h o b i city   v alu e    u s in g   th e  Ky te - Do o litt le  s ca le.   T h e  h y d r o p h o b ic ity   p r o f ile  f o r   th e   en tire   s eq u en ce   ca n   b e  r e p r ese n ted   in   ( 2 ) :     = { 1 , 2 , … , }     ( 2 )     T o   co n v er t   th e  lin ea r   h y d r o p h o b icity   p r o f ile  i n to   a   2 D  im a g e,   we  f ir s t  d ef in e  a  win d o w  s ize  w.   T h is   win d o w  s ize  d eter m in es  th e   d im en s io n s   o f   th e   r esu ltin g   im a g e,   wh e r e  ea c h   p ix el  in te n s ity   co r r esp o n d s   to   t h e   av er ag e  h y d r o p h o b icity   v alu e  with in   th e  win d o w.   Fo r   a n   im ag e  o f   d im en s io n   m ×m ,   we  r esh ap ed   th e   s eq u en ce   in to   a  m atr ix   f o r m a t.  T h e  v alu e  o f   m   is   ch o s en   b ased   o n   th e   s eq u en ce   le n g th   n   an d   t h e  d esire d   r eso lu tio n .   T h e   tr an s f o r m atio n   p r o ce s s   in v o lv es th e  f o llo win g   s tep s :   -   W in d o win g :  d iv i d e  th e   h y d r o p h o b icity   s eq u en ce   H  in t o   o v er lap p in g   o r   n o n - o v er lap p in g   win d o ws  o f   s ize  .   Fo r   = 1 , 2 , … , ⌈ 2 ⌉ ,    ea ch   win d o w    is   d ef in e d   as in   ( 3 ) :     = { ( − 1 ) + 1 , ( − 1 ) + 2 , … ,  }     ( 3 )     -   Av er ag in g :  c alcu late  th e  av er ag e  h y d r o p h o b icity   v alu e  f o r   ea ch   win d o w  .   T h e  av er a g e  h y d r o p h o b icity   v alu e  ̅   f o r   th e  win d o w    is   g iv en   b y   ( 4 ) :     ̅ = 1 ∑  = ( − 1 ) + 1     ( 4 )     -   Ma tr ix   f o r m atio n :  a r r an g e  th e  av er ag e  h y d r o p h o b icity   v alu e s   ̅   in to   a  m atr ix     o f   d im en s io n   × .   T h e  m atr ix     is   f o r m ed   in   ( 5 )   as f o llo ws :           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52         Hyd r o p h o b icity  s ig n a l a n a lysi s   fo r   r o b u s t S A R S - C o V - 2   cla s s ifica tio n   ( Mo h a mma d   J a mh u r i)   1297   = (   ̅ 1 ̅ 2 … ̅ ̅ + 1 ̅ + 2 … ̅ 2 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ ̅ ( − 1 ) + 1 ̅ ( − 1 ) + 2 … ̅ 2   )       ( 5 )     -   No r m aliza tio n :  n o r m alize   th e  m atr ix   M  to   en s u r e   th e  p ix el  v alu es  ar e  with in   a  s p ec if ic  r an g e  ( e. g . ,   0   to   2 5 5   f o r   g r ay s ca le  im ag es).   T h e   n o r m alize d   m atr ix   M  is   g iv en   b y   ( 6 ) :     ′ = 255 × − m i n ( ) m ax ( ) − m i n ( ) .     ( 6 )     -   I m ag e  r ep r esen tatio n :  t h e  n o r m alize d   m atr ix   M'   is   th en   co n v er ted   in to   a  g r ay s ca le  im ag e,   wh er e  ea ch   p ix el   in ten s ity   r ep r esen ts   th e  h y d r o p h o b icity   v alu e  o f   th e  co r r esp o n d in g   win d o w  in   th e  s eq u e n c e.   -   R em o v e  n o n - ess en tial  g r ap h ical  elem en ts :  t o   p r ep ar e  clea n   im ag es,  lab els,  titl es,  leg en d s ,   an d   ax es  wer e   r em o v ed .   B y   tr an s f o r m in g   t h e  am in o   ac id   s eq u en ce s   i n to   h y d r o p h o b i city - b ased   im ag es   f o llo win g   ( 2 ) - ( 6 ) ,   w e   en ab le  th e   C NN  to   ef f ec tiv el y   ca p tu r e   th e  s p atial  p atter n s   a n d   ch a r ac ter is tics   in h er en t  i n   th e  h y d r o p h o b icity   p r o f iles .   T h is   tr an s f o r m atio n   en h an ce d   th e  m o d el' s   ab ilit y   to   class if y   SA R S - C o V - 2   an d   n o n - SAR S - C o V - 2  v ir u s es.  Fig u r e  1   illu s tr ates th e  p r o ce s s   o f   g e n er atin g   h y d r o p h o b icity   s ig n als f r o m   DNA  s eq u en ce s .           Fig u r e  1 .   Pre p r o ce s s in g   wo r k f lo w:  DNA  s eq u en ce   to   h y d r o p h o b icity   s ig n al  co n v er s io n       2 . 3 .     M o del im plem ent a t io n   W e  im p lem en ted   a  co n v o lu ti o n al  n eu r al  n etwo r k   ( C NN)   to   p r o ce s s   im ag e - b ased   h y d r o p h o b icit y   p r o f iles .   T h e   C NN  ar ch itectu r e  in clu d es  m u ltip le  co n v o lu t io n al,   m ax - p o o lin g ,   a n d   f u lly   co n n ec ted   lay er s .   T h is   s tr u ctu r e   allo ws  th e   m o d el  to   ca p tu r e   co m p lex   p atter n s   with in   t h e  h y d r o p h o b icity   im ag es,  im p r o v in g   its   p er f o r m an ce   i n   th e   b in ar y   cla s s if icatio n .   T h e  n etwo r k   b eg i n s   with   in p u t   im ag es  o f   h y d r o p h o b icity   p r o f iles ,   wh ich   ar e  p r o ce s s ed   th r o u g h   co n v o l u tio n al  an d   p o o lin g   la y er s   to   ex tr ac t  r ele v an t  f ea tu r es.  T h ese  ex tr ac ted   f ea tu r es  ar e   p ass ed   th r o u g h   f u lly   co n n ec te d   lay er s   to   g e n er ate  th e  f in al  b in ar y   class if icatio n   o u tp u t.  T h e  ar ch itectu r e  o f   th e  C NN  is   d ep icted   in   Fig u r e  2 .   T ab le  2   p r o v id es  th e  d etails  o f   C NN  ar ch itectu r e.   E ac h   lay er ' s   ty p e,   th e  n u m b er   o f   f ilter s   o r   u n its ,   k er n el  s ize ,   ac tiv atio n   f u n ctio n ,   a n d   o u tp u t   s h ap e  ar e  s p e cif ied   to   g iv e  a  c o m p r eh en s i v e  o v e r v iew  o f   th e   n etwo r k   s tr u ct u r e.   T h is   d etaile d   b r ea k d o w n   h el p s   u s   u n d er s t an d   th e   f lo w   o f   d ata   th r o u g h   t h e  n etwo r k   a n d   th e  tr an s f o r m atio n s   ap p lied   at  ea c h   s tag e.   I n   th e   f ir s t  la y er ,   a  c o n v o lu ti o n al  o p er atio n   is   a p p lied   with   3 2   f ilter s   o f   s ize  3 × 3 ,   p r o d u cin g   an   o u tp u t  s h a p e  o f   ( 1 2 8 ,   1 2 8 ,   3 2 ) .   T h is   co n v o lu tio n al  lay e r   is   f o llo wed   b y   a   m ax - p o o lin g   lay er   with   a   2 × 2   f ilter   s ize,   wh ich   r ed u ce s   th e  s p atial  d im en s io n s   to   ( 6 4 ,   6 4 ,   3 2 ) .   T h e  s ec o n d   co n v o lu tio n al  lay er   u s es  6 4   f ilter s   o f   s ize  3 × 3 ,   r esu ltin g   in   an   o u tp u t  s h ap e  o f   ( 6 4 ,   6 4 ,   6 4 ) .   T h is   lay er   is   th en   f o llo wed   b y   an o th er   m ax - p o o lin g   lay er ,   r e d u cin g   th e   d im en s io n s   to   ( 3 2 ,   3 2 ,   6 4 ) .   T h e   th ir d   co n v o lu tio n al  lay er   ap p lies   1 2 8   f ilter s   o f   s ize  3 × 3 ,   p r o d u cin g   an   o u tp u t  s h ap e   o f   ( 3 2 ,   3 2 ,   1 2 8 ) .   I t   is   f o llo wed   b y   a  m ax - p o o lin g   lay er ,   wh ic h   f u r th er   r ed u ce s   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci ,   Vo l.  37 ,   No .   2 ,  Feb r u a r y   20 25 :  1 2 9 4 - 1 3 0 5   1298   d im en s io n s   to   ( 1 6 ,   1 6 ,   1 2 8 ) .   T h ese  co n v o lu tio n al   an d   p o o l in g   lay e r s   ar e  d esig n ed   to   ex t r ac t  an d   co n d en s e  f ea tu r es  p r o g r ess iv ely ,   ca p tu r i n g   th e   ess en tial  p atter n s   in   th e  h y d r o p h o b icity   p r o f iles .   T h e  o u tp u t  o f   th e   f in al   p o o lin g   la y er   is   th en   f latten e d   an d   f e d   in to   a  f u lly   co n n ec ted   d en s e  lay er   with   5 1 2   u n its ,   wh ich   p r o v i d es  a  r ich   r ep r esen tatio n   o f   th e  ex tr ac ted   f ea tu r es.  T h is   d e n s e  lay er   is   cr u cial  f o r   in teg r atin g   th e  f ea tu r es  o b tain e d   b y   th e  p r ev io u s   co n v o lu tio n al   lay er s   an d   p r ep ar in g   th e m   f o r   class if icatio n .   T h e  f in al  lay e r   is   an o th er   d en s e  lay er   eq u ip p ed   with   a  s ig m o i d   ac tiv atio n   f u n ctio n ,   wh ich   p r o d u ce s   a  p r o b ab ilit y   f o r   th e  b in ar y   class i f icatio n   ( SAR S - C o V - 2   v s .   n o n - SAR S - C o V - 2 ) .   T h e   o u tp u t  s h ap e  o f   t h is   f in al  lay er   is   ( 1 ) ,   c o r r esp o n d in g   t o   th e  b in ar y   class if icatio n   task .   T h is   s etu p   allo ws  th e  m o d el  to   o u tp u t   a  p r o b ab ilit y   f o r   th e  p o s itiv e  class ,   f ac ili tatin g   ac cu r ate  class if icatio n .   T h e  C N N  wa s   im p lem en ted   u s in g   th e  T en s o r Flo w  an d   Ker as   lib r ar ies,  allo win g   ef f icien t m o d el  t r ain in g   a n d   e v alu atio n .           Fig u r e  2 .   T h e  ar ch itectu r e  o f   t h e  C NN  m o d el:  lay er   co n f ig u r atio n   an d   s eq u en ce       T ab le  2 .   C NN  m o d el  s p ec if ica tio n   La y e r   Ty p e   N u mb e r   o f   f i l t e r s   K e r n e l   si z e   O u t p u t   s h a p e   1   C o n v o l u t i o n   32   3 × 3   ( 1 2 8 ,   1 2 8 ,   32)   2   M a x   p o o l i n g   -   2 × 2   ( 6 4 ,   6 4 ,   3 2 )   3   C o n v o l u t i o n   64   3 × 3   ( 6 4 ,   6 4 ,   6 4 )   4   M a x   p o o l i n g   -   2 × 2   ( 3 2 ,   3 2 ,   6 4 )   5   C o n v o l u t i o n   1 2 8   3 × 3   ( 3 2 ,   3 2 ,   1 2 8 )   6   M a x   p o o l i n g   -   2 × 2   ( 1 6 ,   1 6 ,   1 2 8 )   7   F u l l y   c o n n e c t e d   ( d e n s e )   5 1 2   -   ( 5 1 2 )   8   O u t p u t   ( d e n se,   si g m o i d )   1   -   ( 1 )       W e  in clu d e  a   v ar iety   o f   b as elin e  m ac h in e   lear n in g   m o d e ls   im p lem en ted   u s in g   th e   s c i - k it - lear n   lib r ar y ,   wh ich   is   c o m p a r ed   a g ain s t  th e  C NN  m o d el.   T h ese  m o d els  a r e  e x p licitly   co n f i g u r ed   f o r   h an d lin g   DNA  s eq u en ce   d ata  as f o llo w s :   -   Su p p o r t  v ec to r   m ac h in e  ( SV M) :  u tili ze s   a  lin ea r   k er n el  to   class if y   lin ea r ly   s ep ar ab le  d ata.   No n - lin ea r   class if icatio n   is   en ab led   u s in g   k er n el  tr ick s ,   with   th e   r eg u lar izatio n   p ar a m eter   s et  to   1 . 0 ,   b ala n c in g   th e   class if icatio n   m ar g in   with   er r o r   m in im izatio n   [ 2 2 ] .   -   K - n ea r est  n eig h b o r s   (K - NN) :  e m p lo y   a  d is tan ce   m etr ic  ( E u clid ea n   m etr ic)   to   id en tify   th e   clo s est  tr ain in g   ex am p les  an d   d eter m in e   th e  class if icatio n   [ 2 3 ] .   Set  th e  n u m b er   o f   n eig h b o r s   as  3   to   e n s u r e  p r o x im ity   af f ec ts   th e  class if icatio n   d ec is io n .   -   L o g is tic  r eg r ess io n   ( L R ) :  p r e d icts   ca teg o r ical  o u tco m es  u s in g   a  lo g is tic  f u n ctio n ,   m o d e lin g   p r o b ab ilit y   d is tr ib u tio n s   [ 2 4 ] .   I t w as c o n f ig u r ed   with   a  ' lin ea r '   s o lv er ,   a  r eg u lar izatio n   s tr en g th   o f   1 ,   an d   an   L 2   p en alty   to   m itig ate  o v er f itti n g .   -   Dec is io n   t r ee   ( DT ) :  t h is   m o d el  class if ie s   d ata  b y   cr ea tin g   a  tr ee   th at  m o d els  d ec is io n s   b ased   o n   f ea tu r e   v alu es.  I t  is   co n f ig u r e d   with o u t  a  m ax im u m   d ep th   to   allo w  d etailed   tr ee   g r o wth   an d   u s es  a  m in im u m   s am p le  s p lit o f   2   [ 2 5 ] .   -   R an d o m   f o r est  ( R F):  t h is   en s em b le  m o d el   b u ild s   m u ltip l e  d ec is io n   tr ee s   a n d   m er g es   th eir   o u tp u t   to   im p r o v e  ac c u r ac y   an d   c o n tr o l  o v er f itti n g .   I t  u s ed   1 0 0   e s tim ato r s   an d   th e  ' s q r t'   m et h o d   f o r   f ea t u r e  s elec tio n ,   o p tim izin g   v ar ian ce   r ed u ctio n   a n d   p r ed ictiv e  ac c u r ac y   [ 2 6 ] .   -   XGBo o s t:  a n   im p lem en tatio n   o f   g r ad ien t - b o o s ted   d ec is io n   tr ee s   d esig n ed   f o r   s p ee d   a n d   p er f o r m an ce ,   co n f ig u r ed   with   1 0 0   esti m ato r s ,   a  m ax im u m   d e p th   o f   3 ,   a n d   a  lear n in g   r ate  0 . 1 .   Gr id   s ea r ch   is   u s ed   to   f in e - tu n e  p ar am eter s   b ased   o n   p er f o r m an ce   [ 2 7 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52         Hyd r o p h o b icity  s ig n a l a n a lysi s   fo r   r o b u s t S A R S - C o V - 2   cla s s ifica tio n   ( Mo h a mma d   J a mh u r i)   1299   -   Mu ltil ay er   p er ce p tr o n   ( ML P):  a   n eu r al  n etwo r k   m o d el  co n s is tin g   o f   m u ltip le  lay er s   o f   n o d e s ,   in clu d in g   an   in p u t la y er ,   o n e  o r   m o r e  h id d e n   lay er s ,   an d   an   o u tp u t la y er   [ 2 8 ] .   I t w as tu n ed   with   a  m ax im u m   iter atio n   o f   1 0 0   to   en s u r e  co n v er g en ce   a n d   o p tim ized   f o r   b in ar y   class if icatio n   task s .     2 . 4 .     E x perim ent a l set up   T h is   p h ase  o u tlin es  th e  ex p e r i m en tal  s etu p   u s ed   to   ev al u ate   th e  p er f o r m an ce   o f   th e  p r o p o s ed   C N N   m o d el  ag ai n s t  v ar io u s   b aselin e  m o d els.  W e  ass es s ed   m o d el  p er f o r m an ce   u s in g   k ey   m etr ics:   ac cu r ac y ,   p r ec is io n ,   r ec all,   F1 - s co r e ,   a n d   AUC - R OC .   Ad d itio n ally ,   we  m ea s u r ed   th e  c o m p u tatio n   tim e  r eq u ir e d   f o r   tr ain in g   a n d   p r ed ictio n   to   e v alu ate  th e  p r ac ticality   an d   ef f icien cy   o f   t h e  m eth o d .   T h e  ex p e r im en t  was   s tr u ctu r ed   as f o llo ws:   -   C o m p ar is o n   with   b aselin e  m eth o d s   u s in g   m atch in g   s eq u en ce   len g th s : e ac h   m o d el  was tr ain ed   o n   th e  s am e   d ataset  an d   d iv id ed   in to   tr a in in g ,   v alid atio n ,   a n d   test in g   s ets  in   a   7 0 - 15 - 1 5   r atio .   Un if o r m   d ata  p r ep r o ce s s in g   s tep s ,   s u ch   as n o r m aliza tio n   an d   en c o d in g ,   wer e  ap p lied   b ef o r e   tr ain in g .   -   C o m p ar is o n   with   b aselin e  m e th o d s   u s in g   ex ten d ed   s eq u en c e  len g th s :  test   d ata   in clu d e d   s eq u en ce   len g th s   ex ce ed in g   th e  m ax im u m   s eq u en ce   len g th   o f   th e  tr ain in g   d a ta  to   test   th e  m o d els'   s tab ilit y   an d   r o b u s tn ess   with   lo n g er   s eq u en ce s .   -   Ass es s m en t  o f   co m p u tatio n   ti m e:  to   e v alu ate  th e   m eth o d ' s   p r ac ticality   an d   ef f icien c y ,   w e  m ea s u r ed   th e  tim e  r eq u ir ed   to   tr ain   t h e  m o d el,   p r o ce s s   r aw  s eq u en ce s   in to   im ag es,  an d   p r ed ict  n ew  d ata.   -   C o n f u s io n   m atr ix   an d   AUC - R OC   an aly s is :   we  an aly ze d   t h e  co n f u s io n   m atr i x   an d   R OC   cu r v e  wit h   th e  AUC  s co r e  to   v is u alize   tr u e  p o s itiv es,  f alse  p o s itiv es,  an d   f alse  n eg ativ es,   p r o v id i n g   in s ig h t  in to   class if icatio n   ac cu r ac y   an d   t h e   m o d el' s   d is cr im in ativ e  ab ilit y .   W e  em p lo y ed   a  v alid atio n   s tr ateg y   to   en h an ce   m o d el  r o b u s tn ess   an d   r eliab ilit y ,   in clu d i n g   u s in g   a   v alid atio n   s et  to   f in e - tu n e   t h e  m o d els  an d   p r ev en t   o v e r f itti n g .   Ad d itio n ally ,   we   u til ized   1 0 - f o ld   cr o s s - v alid atio n ,   d iv id i n g   th e  tr ain i n g   d ataset  in to   ten   s u b s ets.  T h e  m o d el  was  tr ain ed   ten   tim es,  ea ch   iter atio n   u s in g   a  d if f e r en t su b s et  f o r   v al i d atio n ,   en s u r i n g   en h an ce d   g e n er aliza b ilit y .     2 . 4 . 1 .   Co m pu t a t i o na l r eso urce s   I n   th e  e x p er im e n ts ,   we  u s ed   an   I n tel  Xe o n   C PU,  an   NV I DI A  T esla  P1 0 0   GPU  with   1 6   GB   o f   m em o r y ,   an d   2 9   GB   o f   R AM .   W e  co n d u cted   all  ex p e r im en ts   u s in g   Kag g le   No teb o o k s   wi th   Py th o n   3 . 7 .   W e  u s ed   T en s o r Flo w   2 . 1 ,   s cik it - lear n ,   N u m Py ,   a n d   Pan d as   f o r   m ac h i n e  lear n in g .   T h is   s etu p   h an d led   th e  co m p u tatio n al  d em an d s   o f   p r o ce s s in g   lar g e  d atasets   an d   t r ain in g   co m p lex   m o d els  s u c h   as  C NN.   Kag g le   p r o v id e d   a   s tab le  p latf o r m   f o r   r eliab le   ex ec u tio n ,   a n d   t h e  h ig h - p er f o r m an ce   GPU  ef f icien tly   p r o ce s s ed   co m p u tatio n ally   h ea v y   task s ,   s u ch   as a n aly zin g   DNA  s eq u en ce s .     2 . 4 . 2 .   Da t a   a v a ila bil it y   W e  h av e  m ad e   th e  d ataset  u s e d   in   th is   s tu d y   av ailab le  to   th e   p u b lic  o n   Kag g le  t o   e n s u r e  ac ce s s ib ilit y   f o r   f u r t h er   r esear ch .   T o   ac ce s s   th e  r aw  d ata,   p lease  v is it  r aw - d ataset.   Fo r   d ata  tr an s f o r m ed   in t o   a  h y d r o p h o b icity   s ig n al,   p lease  r ef er   to   th e  I m ag e - d ataset.   T h ese  d atasets   ar e  p r o v id ed   u n d er   an   o p en - ac ce s s   licen s e,   en co u r a g in g   f u r th er   r e s ea r ch   an d   v alid atio n   o f   t h e  f i n d in g s .       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   I n   th is   s ec tio n ,   we  p r esen ted   an d   o r g an ized   th e  e x p er im e n t al  r esu lts   in to   f iv e  p ar ts :  i )   a  co m p ar is o n   o f   th e  p r o p o s ed   m eth o d   with   b aselin e  m eth o d s   u s in g   test   d ata  with   s eq u en ce   len g th s   m atch in g   th o s e  in   th e   tr ain in g   d a ta,   ii )   an   ev al u atio n   o f   th e  m eth o d   ag ain s t  b aselin e  m eth o d s   u s in g   test   d ata  with   s eq u en ce   len g th s   ex ce ed in g   t h e  m ax im u m   len g th   o f   th e  t r ain in g   d ata,   iii )   an   ass es s m en t  o f   th e  co m p u tati o n   tim e  r eq u ir ed   t o   tr ain   th e  m o d el,   p r o ce s s   r aw  s eq u en ce s   in to   im ag es,   an d   m a k e  p r ed ictio n s   o n   n ew  d ata,   iv )   an   an aly s is   o f   th e  p r ed ictio n   r esu lts   u s in g   a  co n f u s io n   m atr ix   an d   AUC - R OC   s co r e,   an d   v )   a  co m p ar is o n   with   p r ev io u s   s tu d ies.  T h e  o b jectiv e  is   to   e v alu ate  t h e  p er f o r m a n ce   o f   th e   p r o p o s ed   m o d el   u s in g   v ar io u s   m et r ics  u n d er   d if f er en t   co n d itio n s   an d   to   ass ess   th e  p r ac ticality   an d   ef f icien cy   o f   t h e   m eth o d   i n   r ea l - wo r l d   ap p licat io n s .     3 . 1 .     Co m pa riso n wit h ba s eline  m o dels   us ing   m a t ching   s equence  leng t h s   W e  co m p ar ed   th e   p r o p o s ed   m o d el' s   p er f o r m a n ce   with   v a r io u s   b aselin e  m eth o d s   u s in g   test   d ata  wh er e  th e   s eq u en ce   len g th s   m atch ed   t h o s e  in   th e   tr ain in g   d ata.   T h e   p r o p o s ed   m eth o d   e m p lo y s   a   C NN  with   h y d r o p h o b icity   s ig n als  as  f ea tu r es,  wh ile  th e  b aselin e  m eth o d s   u s e  r aw  s eq u en ce s .   T o   e v alu ate  th e   ef f ec tiv en ess   o f   ea ch   m o d el,   we  f o cu s ed   o n   k e y   m etr ics  s u ch   as  ac cu r ac y ,   p r ec is io n ,   r e ca ll,  F1 - s co r e,   an d   AUC - R O C .   T ab le  3   p r o v id es  a  co m p ar ativ e  p er f o r m a n ce   s u m m ar y   o f   class if icatio n   m o d e ls   u s in g   th ese  two   ty p es o f   f ea tu r es.   T h e  r esu lts   in d icate   th at  t h e   b aselin e  m eth o d s   p er f o r m ed   ex ce p tio n ally   well,   ac h iev in g   av er a g e   ac cu r ac y ,   p r ec is io n ,   r ec all,   F 1 - s co r e,   a n d   AUC - R O C   o f   9 8 . 9 1 %,  9 8 . 2 8 %,  9 9 . 5 2 %,  9 8 . 8 9 %,  an d   9 9 . 7 1 %,   r esp ec tiv ely .   T h e   p r o p o s ed   m o d el  s ig n if ican tly   im p r o v ed   o v er   th e  b aselin e  m eth o d s ,   with   an   in cr ea s e  o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci ,   Vo l.  37 ,   No .   2 ,  Feb r u a r y   20 25 :  1 2 9 4 - 1 3 0 5   1300   ap p r o x im ately   0 . 8 %  ac r o s s   all  m etr ics.  I n   th is   s ce n ar io ,   all  m eth o d s   ef f ec tiv ely   cl ass if ied   th e  d ata,   m ain tain in g   an   av er a g e  er r o r   r ate  o f   less   th an   0 . 1 %.       T ab le  3 .   Per f o r m an ce   s u m m ar y   o f   class if ier s   with   test   s eq u en ce   len g th s   with in   th e  t r ain in g   r an g e   C l a s si f i e r   F e a t u r e   Ty p e   A c c .   P r e c .   R e c .   F1   AUC - R O C   S V M   D N A   S e q u e n c e   0 . 9 9 1 0   0 . 9 8 1 9   1 . 0 0 0 0   0 . 9 9 0 9   0 . 9 9 9 8   K N N   D N A   S e q u e n c e   0 . 9 8 3 6   0 . 9 8 1 7   0 . 9 8 4 9   0 . 9 8 3 3   0 . 9 9 5 4   LR   D N A   S e q u e n c e   0 . 9 9 0 2   0 . 9 8 3 5   0 . 9 9 6 7   0 . 9 9 0 0   0 . 9 9 8 2   DT   D N A   S e q u e n c e   0 . 9 8 6 9   0 . 9 8 5 0   0 . 9 8 8 3   0 . 9 8 6 6   0 . 9 8 6 9   RF   D N A   S e q u e n c e   0 . 9 8 9 4   0 . 9 7 8 7   1 . 0 0 0 0   0 . 9 8 9 2   0 . 9 9 9 7   X G B o o st   D N A   S e q u e n c e   0 . 9 9 1 0   0 . 9 8 1 9   1 . 0 0 0 0   0 . 9 9 0 9   0 . 9 9 9 7   M LP   D N A   S e q u e n c e   0 . 9 9 1 8   0 . 9 8 6 8   0 . 9 9 6 7   0 . 9 9 1 7   0 . 9 9 9 7   O u r s   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   0 . 9 9 8 4   0 . 9 9 6 7   1 . 0 0 0 0   0 . 9 9 8 3   0 . 9 9 9 9       T h e  C NN  m o d el  ac h iev ed   th e   h ig h est  ac cu r ac y   at   9 9 . 8 4 %,  i n d icatin g   its   s u p er i o r   a b ilit y   t o   co r r ec tly   class if y   p o s itiv e  an d   n eg ativ e   ca s es  co m p ar ed   to   th e  b aseli n e  m o d els.  W ith   a  h ig h   p r ec is io n   o f   9 9 . 6 7 %,  th e   m o d el  m a k es  v e r y   f ew  f alse  p o s itiv e  er r o r s ,   wh ich   is   cr u cial   f o r   av o id in g   th e   m is class if ica tio n   o f   n o n - SAR S - C o V - 2   ca s es  as  SAR S - C o V - 2 .   T h e  m o d el  also   ac h iev e d   p er f ec t  r ec all  at  1 0 0 %,  m ea n in g   it  co r r ec tly   id en tifie s   all  ac tu al  p o s itiv e  ca s es,  en s u r in g   n o   SAR S - C o V - 2   ca s es  ar e  m is s ed .   T h e  F 1   Sco r e  o f   9 9 . 8 3 %   d em o n s tr ates  th e  m o d el' s   o v er all  ef f ec tiv en ess   b y   b alan cin g   p r ec is io n   a n d   r ec all.   Fu r th er m o r e,   t h e  AUC - R OC   s co r e  o f   0 . 9 9 9 9   illu s tr ates  th e  m o d el' s   ex ce llen t  p e r f o r m an ce   in   d is tin g u is h in g   b et wee n   class es  ac r o s s   d if f er en t th r esh o ld   v alu es,  h ig h lig h tin g   its   d is cr im in ativ e  p o wer .   T h e  s ig n if ican t  im p r o v em en t  ac r o s s   all  m etr ics  h ig h lig h ts   th e  C NN  m o d el' s   r o b u s tn ess   i n   h an d lin g   th e  v ar iab ilit y   an d   co m p le x ity   o f   v ir al  g e n etic  m ater ial.   T h e   u s e  o f   a  h y d r o p h o b icity   s ig n al  allo ws  th e  C N N   m o d el  to   ca p t u r e  i n tr icate   p a tter n s   in   th e   d ata   th at  t r a d itio n al  s eq u e n ce - b ased   m eth o d s   d o   n o t   u tili ze   as   ef f ec tiv ely .   T h e  h ig h - p er f o r m an ce   m etr ics  s u g g est  th at  th e   C NN  m o d el  is   r eliab le  a n d   c o u ld   b e   u s ed   in   r ea l - wo r ld   ap p licatio n s   f o r   r ap i d   an d   ac cu r ate  v i r al  class if icatio n ,   p o ten tially   lead in g   to   b etter   o u tb r ea k   m an ag em en t a n d   p u b lic  h ea lth   r esp o n s es.     3 . 2 .     P er f o r m a nce  ev a lua t io n wit h e x t ended seq uence  len g t hs   W e  ev alu ated   th e  r o b u s tn ess   a n d   ad ap tab ilit y   o f   th e  p r o p o s ed   m eth o d   b y   co m p ar i n g   it  with   b aselin e  m eth o d s   u s in g   test   d ata  with   s eq u en ce   len g th s   ex ce ed in g   th e  m ax im u m   len g th   o f   th e   tr ain in g   d ata.   T h e   an aly s is   f o cu s ed   o n   h o w  well   th e  m o d els  h a n d led   l o n g er   s eq u en ce s   an d   th e  im p ac t  o n   p e r f o r m a n ce   m etr ics.    A  two - p h ase  s tu d y   was  co n d u cted   to   ass ess   th e  r o b u s tn ess   o f   th e  C NN  cla s s if ier   u s in g   h y d r o p h o b ic ity   s ig n als.  I n   t h e  f ir s t  p h ase,   we  u s ed   r aw   DNA  s eq u en ce s   as   in p u ts   f o r   b aselin e  class if ier s   an d   m ea s u r ed   th ei r   p er f o r m an ce .   I n   th e  s ec o n d   p h ase,   we  u s ed   h y d r o p h o b icity   s ig n als  as  in p u ts   f o r   all  cla s s if ier s   to   co m p ar e   th eir   p er f o r m an ce   d ir ec tly   a g a in s t th e  b aselin e  m eth o d s .     3 . 2 . 1 .   P e r f o r m a n c e   c o m p a r i s o n :   b a s e l i n e   c l a s s i f i e r   w i t h   D N A   s e q u e n c e   v s .   C N N   w i t h   h y d r o p h o b i c i t y   s i g n a l   I n   th is   p h ase,   th e   test   s et  s eq u en ce s   wer e  lo n g er   th an   th o s e   in   th e   tr ain in g   s et.   T h is   s ce n ar i o   aim ed   to   d eter m in e  wh et h er   th e   clas s if icatio n   m o d els  co u ld   p r e d ict  t h e  test   s et  as  ef f ec tiv ely   as  in   th e  f ir s t  s ce n ar i o .   T ab le  4   p r esen ts   a  p er f o r m a n c e  co m p ar is o n   o f   v ar io u s   class if icatio n   m o d els o n   an   ex te n d e d   test   s et   wh er e  th e   DNA  s eq u en ce   len g th   is   lo n g e r   th an   th at  o f   th e  tr ai n in g   s et.   T h e  ex p er im e n tal  r esu lts   s h o w  th at  th e  b aselin e  m eth o d s   ac h iev ed   m u c h   lo wer   av er ag e  ac cu r ac y ,   p r ec is io n ,   r ec all,   F1 - s co r e,   an d   AUC - R O C   co m p ar ed   t o   th e  f ir s t  ex p er im e n t,  s p ec if ically   4 4 . 3 6 %,  9 1 . 2 3 %,   4 4 . 3 6 %,   4 9 . 4 0 %,  an d   9 6 . 2 9 %,  r esp ec tiv ely .   Me a n wh ile,   th e   p r o p o s ed   m eth o d   m ain tain ed   h ig h   p er f o r m an ce ,   ac h iev in g   m o r e  th a n   9 9 . 7 3 %  f o r   all  m etr ics.  T h is   r esu lt  d em o n s tr ates  th e  r o b u s tn ess   o f   o u r   p r o p o s ed   m eth o d   in   h an d lin g   d if f er en ce s   in   d ata   s am p le  s ize  d u r in g   th e  p r ed ic tio n   p h ase,   e v en   wh e n   th e  d ata  s ize  is   o u ts i d e  th e  r an g e  o f   th e   tr ain in g   s et.   T h e  C NN  m o d el' s   h ig h   p er f o r m an ce   ca n   b e  attr i b u ted   t o   i ts   ab ilit y   to   ca p tu r e   in tr icate   p atter n s   in   th e  h y d r o p h o b icity   s ig n al   d er iv e d   f r o m   DNA  s eq u en ce s .   Un lik e  tr ad i tio n al  m eth o d s   th at   r ely   o n   d ir ec t  s eq u e n ce   a n a ly s is ,   th e   im ag e - b ased   a p p r o ac h   lev e r ag es  th e   s p atial  i n f o r m atio n   in   th e   h y d r o p h o b icity   p r o f iles ,   allo w in g   th e  m o d el  to   lear n   co m p le x   f ea tu r es th at  en h an ce   class if icatio n   ac cu r ac y .   Fu r th er m o r e ,   wh ile  p r ec is io n   an d   AUC - R OC   s co r es  wer e  h ig h   f o r   th e   b aselin e  m eth o d s ,   e x ce ed in g   9 0 %,  th e  o th er   m etr ics  d id   n o t  ex ce ed   5 0 %.  T h ese  e x p er im en tal  r esu lts   in d icate   th at  th e   b aselin e  m o d els  ar e   v er y   co n s er v ativ e  in   p r e d ictin g   th e  p o s itiv e  class ,   r esu ltin g   in   h ig h   p r ec is io n .   T h ey   o n ly   p r ed ict  p o s itiv es  wh en   th ey   ar e  v er y   co n f id en t ,   lead in g   to   f ew   f alse  p o s itiv es.  Ho wev er ,   th is   c o n s er v atis m   r esu lts   in   m an y   ac tu al  p o s itiv es b ein g   m is s ed   ( h ig h   f alse n eg ativ es),   wh ich   lo wer s   r ec all.   T h e  h ig h   AUC - R OC   v alu e  in d icate s   th at  th e  m o d els  ar e  g o o d   at  d is tin g u is h in g   b etwe en   p o s itiv e  an d   n eg ativ e  class es.  Sti ll,   th ey   s tr u g g le  with   s elec tin g   a  th r esh o ld   th at  b ala n ce s   p r ec is io n   an d   r ec all.   T h e   lo w  ac cu r ac y   s u g g ests   th e  p r ed ictio n   im b alan ce   lead s   to   p o o r   p er f o r m an c e  r eg ar d in g   co r r ec t  class if icatio n s .   I n   s u m m ar y ,   th ese  m et r ics  in d icate   th at  th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52         Hyd r o p h o b icity  s ig n a l a n a lysi s   fo r   r o b u s t S A R S - C o V - 2   cla s s ifica tio n   ( Mo h a mma d   J a mh u r i)   1301   b aselin e  m o d els  a r e  ca u ti o u s   an d   o n ly   p r e d ict  p o s itiv e  w h en   v er y   c o n f id e n t,  lea d in g   to   h ig h   p r ec is io n   an d   AUC - R O C   b u t  at  th e  co s t  o f   r ec all  an d   o v er all  ac cu r a cy .   Ou r   p r o p o s ed   m eth o d ,   b y   co n tr ast,  s h o ws  s ig n if ican t  r o b u s tn ess   an d   ad ap tab ilit y ,   m ak i n g   it   well - s u ite d   f o r   r ea l - w o r ld   ap p licatio n s   wh er e  s eq u en ce   len g th s   ca n   v a r y   s ig n if ican tly .       T ab le  4 .   C o m p a r ativ e  p er f o r m an ce   m etr ics f o r   e x ten d e d   test   s ets with   lo n g er   s eq u en ce   len g th s : b aselin e  DNA  s eq u en ce   v s .   C NN  h y d r o p h o b icity   s ig n al   C l a s si f i e r   F e a t u r e   Ty p e   A c c .   Pr ec.   R e c .   F1   AUC - R O C   S V M   D N A   S e q u e n c e   0 . 2 5 5 0   0 . 9 0 7 2   0 . 2 5 5 0   0 . 2 7 8 9   0 . 9 9 8 8   K N N   D N A   S e q u e n c e   0 . 5 0 4 8   0 . 9 1 2 7   0 . 5 0 4 8   0 . 5 8 3 3   0 . 9 7 4 5   LR   D N A   S e q u e n c e   0 . 5 7 2 3   0 . 9 1 5 0   0 . 5 7 2 3   0 . 6 4 8 0   0 . 9 4 6 1   DT   D N A   S e q u e n c e   0 . 6 9 7 6   0 . 9 2 1 5   0 . 6 9 7 6   0 . 7 5 5 7   0 . 8 3 0 9   RF   D N A   S e q u e n c e   0 . 2 3 0 5   0 . 9 0 6 8   0 . 2 3 0 5   0 . 2 4 1 4   0 . 9 9 2 4   X G B o o st   D N A   S e q u e n c e   0 . 2 6 9 1   0 . 9 0 7 4   0 . 2 6 9 1   0 . 2 9 9 6   0 . 9 9 8 0   M LP   D N A   S e q u e n c e   0 . 5 7 5 8   0 . 9 1 5 2   0 . 5 7 5 8   0 . 6 5 1 2   0 . 9 9 9 8   O u r s   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   0 . 9 9 9 1   1 . 0 0 0 0   0 . 9 9 1 7   0 . 9 9 5 9   1 . 0 0 0 0       3 . 2 . 2 .   P er f o r m a nce  co m pa riso n f o r  a ll c la s s if iers us ing   hy dro ph o bicity   s ig na l a s   inp ut  f ea t ures   I n   th is   p h ase,   we  co m p a r e  th e  p er f o r m an ce   o f   v ar io u s   class if ier s   u s in g   h y d r o p h o b icity   s ig n als  as   in p u t  f ea tu r es.  Hy d r o p h o b icit y   s ig n als  ar e  in p u t  f o r   t h e  co n v o lu tio n a l  n eu r al  n etwo r k   an d   b aselin e  m ac h i n e   lear n in g   m o d els.  T h e  co m p ar is o n   f o cu s es  o n   k ey   m etr ics  s u ch   as  ac cu r ac y ,   p r ec is io n ,   r e ca ll,  F1 - s co r e,   an d   AUC - R O C   to   ev alu ate  th e  ef f ec tiv en ess   o f   ea ch   class if ier .   T h e  r esu lts   o f   o u r   ex p e r im en t s   ar e  s u m m ar ized   in   T ab le   5 ,   p r o v i d in g   a  c o m p r e h en s iv e  ev alu atio n   o f   ea ch   m o d el's p er f o r m an ce .       T ab le  5 .   C o m p a r ativ e  p er f o r m an ce   o f   class if ier s   u s in g   h y d r o p h o b icity   s ig n al  o n   e x ten d ed   test   s ets   C l a s si f i e r   F e a t u r e   Ty p e   A c c .   P r e c .   R e c .   F1   AUC - R O C   S V M   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   1 . 0 0 0 0   1 . 0 0 0 0   1 . 0 0 0 0   1 . 0 0 0 0   1 . 0 0 0 0   K N N   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   0 . 9 6 6 7   0 . 7 6 1 0   1 . 0 0 0 0   0 . 8 6 4 3   0 . 9 9 8 0   LR   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   0 . 9 9 3 0   0 . 9 4 4 9   0 . 9 9 1 7   0 . 9 6 7 7   0 . 9 9 7 0   DT   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   0 . 8 5 1 0   0 . 4 1 5 8   1 . 0 0 0 0   0 . 5 8 7 4   0 . 9 1 6 7   RF   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   0 . 9 9 7 4   0 . 9 8 3 6   0 . 9 9 1 7   0 . 9 8 7 7   0 . 9 9 9 6   X G B o o st   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   0 . 9 9 1 2   0 . 9 3 0 2   0 . 9 9 1 7   0 . 9 6 0 0   0 . 9 9 7 0   M LP   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   0 . 9 9 7 4   0 . 9 8 3 6   0 . 9 9 1 7   0 . 9 8 7 7   0 . 9 9 7 5   O u r s   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   1 . 0 0 0 0   1 . 0 0 0 0   1 . 0 0 0 0   1 . 0 0 0 0   1 . 0 0 0 0       T h e  b aselin e  m eth o d s   ex h ib i ted   a  r an g e  o f   p er f o r m a n ce   o u tco m es  wh en   u s in g   h y d r o p h o b icity   s ig n als  as  in p u t  f ea tu r es.  T h e  s u p p o r t  v ec to r   m ac h in e  ( S VM )   ac h iev ed   p er f ec t  s co r es   ac r o s s   all  m etr ics,   d em o n s tr atin g   its   ex ce p tio n al   class if icatio n   ca p ab ilit y   wit h   h y d r o p h o b icity   s ig n als.  Ou r   p r o p o s ed   m eth o d   m atch ed   th is   p er f o r m a n ce ,   also   ac h iev in g   p er f ec t  s co r es,  u n d er s co r in g   its   r o b u s tn ess   an d   ef f ec tiv en ess .   T h e  K - n ea r est  n eig h b o r s   ( KNN)   m o d el  s h o wed   an   im p r ess iv e  r ec all  o f   1 0 0 . 0 0 %,  h ig h lig h tin g   its   ab ilit y   to   id en ti f y   all  tr u e  p o s itiv e  ca s es.  Ho wev er ,   its   lo wer   p r ec is i o n   ( 7 6 . 1 0 %)  an d   F1 - s co r e  ( 8 6 . 4 3 %)  in d icate   a   h ig h er   in cid en ce   o f   f alse  p o s itiv es,  wh ich   im p ac ts   its   o v er a ll  r eliab ilit y .   L o g is tic  r eg r ess io n   ( L R )   d is p lay ed   r o b u s t  p er f o r m an ce   with   a   9 9 . 3 0 %  ac cu r ac y   an d   a   9 6 . 7 7 %   F1 - s co r e,   in d icatin g   a   well - b alan ce d   m o d el   th at  ef f ec tiv ely   m an a g es  p r ec is io n   an d   r ec all.   T h is   r esu lt  m a k es  L R   a  r eliab le  ch o ice  f o r   class if icatio n   task s .   r an d o m   f o r est   ( R F)  an d   XG B o o s t  also   p er f o r m ed   ad m ir ab ly ,   with   ac cu r ac ies  o f   9 9 . 7 4 %  an d   9 9 . 1 2 %,   r esp ec tiv ely ,   an d   h ig h   F1   s co r es.  W h ile  s lig h tly   tr ailin g   o u r   p r o p o s ed   m et h o d ,   th eir   s tr o n g   p er f o r m an ce   in d icate s   th eir   s u itab ilit y   f o r   h a n d lin g   h y d r o p h o b icity   s ig n als.  Dec is io n   t r ee   ( DT )   f ac ed   s ig n if ican t   ch allen g es,  ev i d en ce d   b y   its   l o wer   ac cu r ac y   o f   8 5 . 1 0 %  a n d   s u b s tan tial  d r o p s   in   p r ec is io n   ( 4 1 . 5 8 %)   an d   F1 - s co r e  ( 5 8 . 7 4 %).   T h ese  r esu lt s   h ig h lig h t   th e   d if f ic u lty   D T   m o d els  f ac e   in   m an ag in g   th e  c o m p lex it y   o f   h y d r o p h o b icity   s ig n al   d ata.   T h e  m u ltil ay er   p e r ce p tr o n   ( ML P)  p er f o r m ed   s ig n if ican tly   b et ter   th an   p r e v io u s ly   n o ted ,   with   an   ac cu r ac y   o f   9 9 . 7 4 %,  p r ec is io n   o f   9 8 . 3 6 %,  r e ca ll  o f   9 9 . 1 7 %,  a n d   an   F1 - s co r e  o f   9 8 . 7 7 %.   T h is   s u b s tan tial  im p r o v em en t  p o s itio n s   ML P  as  a  s tr o n g   co n te n d er   am o n g   th e  class if ier s ,   th o u g h   s till   s lig h tly   b eh in d   t h e  p er f ec t sco r es a ch i ev ed   b y   SVM  an d   o u r   p r o p o s ed   m eth o d .   Ov er all,   th e  v ar iab ilit y   in   th e  p er f o r m an ce   o f   th e  b aselin e  m eth o d s   h ig h lig h ts   ea ch   m o d el's  u n iq u e   s tr en g th s   an d   wea k n ess es.  T h e  p er f ec t  s co r es  ac h iev ed   b y   o u r   p r o p o s ed   m eth o d   an d   S VM   em p h asize  th e  r o b u s tn ess   an d   r eliab ilit y   o f   t h ese  ap p r o ac h es  in   u s in g   h y d r o p h o b icity   s ig n als  f o r   v ir al   class if icatio n .   T h e  f in d in g s   u n d er s co r e   th e  im p o r tan ce   o f   s elec tin g   th e  ap p r o p r iate  class if ier   f o r   s p ec if i c  task s ,   with   o u r   p r o p o s ed   m eth o d   o f f er in g   a  w ell - b alan ce d   an d   ef f icien t so lu tio n   f o r   h a n d lin g   ex te n d ed   test   s ets.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci ,   Vo l.  37 ,   No .   2 ,  Feb r u a r y   20 25 :  1 2 9 4 - 1 3 0 5   1302   3 . 3 .     Co m pu t a t io n t i m e  a s s ess m ent   T h is   s u b s ec tio n   ev alu ates  th e  co m p u tatio n   tim e  r e q u ir ed   to   tr ain   th e  m o d els,  p r o ce s s   r aw  s eq u en ce s   in to   im ag es,   an d   m ak e   p r e d ictio n s   o n   n ew  d ata.   T h e  a n aly s is   aim s   to   ass ess   th e  p r ac ticality   an d   ef f icien cy   o f   o u r   p r o p o s ed   m et h o d   in   r ea l - wo r ld   ap p licatio n s .   T o   g au g e   co m p u tatio n al  ef f icien cy ,   we  m ea s u r ed   th e  tim e   n ee d ed   f o r   v ar io u s   p r o ce s s   s tag es,  in clu d in g   m o d el  t r ain in g ,   d ata  p r ep r o ce s s in g ,   an d   p r e d ictio n .   W e  r ec o r d ed   th e  tim e  r eq u ir e d   to   tr ain   th e  C NN  m o d el  u s i n g   a  h y d r o p h o b icity   s ig n al  an d   co m p ar e d   it  to   th e   tim e  n ee d ed   f o r   tr ai n in g   b aselin e  m o d els  u s in g   r aw   DNA  s eq u en ce s .   Ou r   f in d in g s   in d icate d   th at   th e   C NN  m o d el  d em a n d ed   m o r e   co m p u tatio n al  r eso u r ce s   a n d   lo n g e r   tr ain i n g   tim es  d u e   to   th e  c o m p lex ity   o f   p r o ce s s in g   im ag e  d ata.   Ho wev er ,   th e  in cr ea s ed   tr ain in g   tim e  is   ju s tifie d   b y   th e  s ig n if ican tly   h ig h e r   p er f o r m an ce   m etr ics  th e  C N N  m o d el  ac h iev es.  W e  also   m ea s u r ed   th e  p r ep r o ce s s in g   tim e  n ec ess ar y   to   co n v er t  r aw  DNA  s eq u en ce s   in to   h y d r o p h o b icity   s ig n als.  T h is   p r o ce s s   in v o lv es  tr an s latin g   DNA  in to   am in o   ac id   s eq u en ce s ,   ca lcu latin g   h y d r o p h o b icity   p r o f iles ,   an d   g en er atin g   th e  co r r esp o n d i n g   im ag es.  Alth o u g h   co m p u tatio n ally   in ten s iv e,   t h is   p r ep r o ce s s in g   s tep   p r o v id es   a  r o b u s t  f ea tu r e   r ep r ese n tatio n   th at  s ig n if ican tly   en h an ce s   th e   m o d el' s   o v er all  p er f o r m a n ce .   Fin ally ,   we  ass ess ed   th e  tim e   r eq u ir ed   t o   m a k e  p r ed ictio n s   o n   n ew   d ata.   T h e  C NN  m o d el  d em o n s tr ated   ef f icien t p r ed ictio n   tim e s   co m p ar ab le  to   th e  b aselin e  m o d els.  Desp ite  th e  in itial  p r ep r o ce s s in g   o v er h ea d ,   th e   C NN  m o d el' s   p r ed icti o n   p h ase  was  o p tim ized   t o   h an d le  im ag e  d ata   s wif tly ,   en s u r in g   p r ac tical  ap p licab ilit y   in   r ea l - tim e  s ce n ar io s .   T ab le  6   s u m m ar izes   th e  co m p u tatio n al   ef f icien cy   m etr ics f o r   b o th   th e   C NN  an d   b aselin e  m o d els:       T ab le  6 .   C o m p u tatio n al  ef f icie n cy   co m p ar is o n : tr ain in g   an d   p r ed ictio n   tim es   C l a s si f i e r   F e a t u r e   t y p e   Tr a i n i n g   t i me   ( sec )   P r e d i c t i o n   t i m e   ( se c / s a m p l e )   S V M   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   7 1 8 . 0   0 . 3 0   K N N   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   0 . 3   0 . 1 0   LR   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   3 3 . 5   0 . 2 0   DT   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   7 4 . 0   0 . 5 0   RF   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   2 3 . 2   0 . 1 0   X G B o o st   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   6 7 4 . 0   0 . 1 5   M LP   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   3 9 . 1   0 . 1 2   O u r s   h y d r o p h o b i c i t y   si g n a l   5 8 . 6   0 . 3 0       T h e  r esu lts   in   T ab le   6   i n d icat e  th at  wh ile  o u r   p r o p o s ed   C NN  m o d el  r e q u ir ed   a  m o d er a te  tr ain in g   tim e  ( 5 8 . 6   s ec o n d s )   co m p ar e d   to   s o m e  b aselin e  m o d els,  it o f f er ed   ef f icien t p r e d ictio n   tim e s   ( 0 . 3 0   s ec o n d s   p er   s am p le)   co m p ar ab le  to   th o s e  o f   th e  o th er   m eth o d s .   S p ec if ically ,   SVM  an d   XG B o o s t  r e q u ir ed   s ig n if ican tly   lo n g er   tr ain in g   tim es  ( 7 1 8 . 0   s ec o n d s   an d   6 7 4 . 0   s ec o n d s ,   r esp ec tiv ely )   b u t  d em o n s tr ated   co m p ar a b le   p r ed ictio n   tim es  ( 0 . 3 0   an d   0 . 1 5   s ec o n d s   p er   s am p le) .   KNN,   R F,  an d   ML P  h a d   n o tab ly   s h o r ter   tr ain in g   tim es  ( 0 . 3 ,   2 3 . 2 ,   an d   3 9 . 1   s ec o n d s ,   r esp ec tiv ely )   an d   f aster   p r e d ictio n   tim es  ( 0 . 1 0 ,   0 . 1 0 ,   an d   0 . 1 2   s ec o n d s   p er   s am p le) ,   h ig h lig h ti n g   th eir   co m p u tatio n al  ef f icien c y .   L o g is tic  r eg r ess io n   ( L R )   an d   d ec is io n   tr ee   ( DT )   s h o wed   in ter m ed iate  tr ain in g   tim es  ( 3 3 . 5   an d   7 4 . 0   s ec o n d s ,   r esp ec ti v ely )   an d   v ar ied   p r ed ictio n   ti m es  ( 0 . 2 0   an d   0 . 5 0   s ec o n d s   p er   s am p le) ,   r ef lectin g   th eir   b alan ce d   co m p u tati o n al  d em an d s .   Desp ite  th e  in itial  p r ep r o ce s s in g   o v er h ea d ,   th e  C NN  m o d el's  o p tim ized   p r ed ictio n   p h ase  en s u r es  p r ac tical  ap p licab ilit y   in   r ea l - tim e  s ce n ar io s .   T h e  r esu lts   s u g g est  th at  th e   in itial  in v estme n t  in   tr ain in g   o u r   p r o p o s ed   C NN  m o d el  is   ju s tifie d   b y   its   r o b u s t  p er f o r m an ce   an d   ef f icien t   p r e d ictio n   ca p ab ilit ies in   r ea l - wo r ld   ap p licatio n s .     3 . 4 .     Co nfusi o n m a t rix   a nd   AUC - RO C  a na ly s is   o f   predi ct io n r esu lt s   T o   p r o v id e  a   d etailed   v iew  o f   o u r   p r o p o s ed   m eth o d ' s   p er f o r m an ce ,   we   p r esen t   th e   co n f u s io n   m atr ix   f o r   th e  p r ed ictio n   r esu lts   f r o m   th e  f ir s t  ex p e r im en t  in   T a b le  3 .   T h e  c o n f u s io n   m atr ix   h elp s   v is u alize   th e  tr u e   p o s itiv es,  f alse  p o s itiv es,  an d   f alse  n eg ativ es,  p r o v id in g   in s ig h t  in to   th e  class if icati o n   ac cu r ac y .   T h e   co n f u s io n   m atr ix   an d   R OC   cu r v e  f o r   o u r   p r o p o s ed   m eth o d   a r e  s h o wn   in   Fig u r e  3 .   Fro m   th e  c o n f u s io n   m at r ix   in   Fig u r e  3 ( a ) ,   we  o b s er v e  th e   f o llo win g :  tr u e  p o s itiv es  ( T P):  6 2 2 ,   tr u e   n eg ativ es   ( T N) :  5 9 8 ,   f alse  p o s itiv es  ( FP ) :  2 ,   an d   f alse  n eg a tiv es  ( FN) :  0 .   T h e  h ig h   n u m b er   o f   tr u e  p o s itiv es  an d   tr u e  n e g ativ es,  alo n g   wi th   th e  lo w  n u m b e r   o f   f alse  p o s itiv es  an d   f alse  n eg ativ es,  in d icate s   th at  o u r   p r o p o s ed   m eth o d   ac h iev es  h i g h   ac cu r ac y   i n   class if y in g   th e  test   d ata.   T h ese  r esu lts   f u r th er   r ein f o r ce   th e   ef f ec tiv en ess   an d   r eliab ilit y   o f   o u r   C NN - b ased   ap p r o ac h   u s in g   h y d r o p h o b icity   s ig n al.   I n   ad d itio n   to   th e  co n f u s io n   m atr ix ,   we  p r esen t  th e  r ec eiv er   o p er atin g   ch a r ac ter is tic  ( R OC )   cu r v e  a n d   t h e   a r e a   u n d e r   t h e   c u r v e   ( A U C )   s c o r e   t o   i ll u s t r at e   t h e   m o d e l ' s   p e r f o r m a n c e .   T h e   R OC   c u r v e   i n   F i g u r e   3 ( b )   d em o n s tr ates  o u r   m o d el' s   ex ce llen t  p er f o r m an ce ,   with   an   AUC - R O C   s co r e  o f   9 9 . 9 9 % .   T h is   n ea r - p e r f ec t   s co r e  in d icate s   th at  th e  p r o p o s ed   m eth o d   i s   h ig h ly   d is cr im in ativ e,   d is tin g u is h in g   b et wee n   p o s itiv e  an d   n eg ativ e  class es.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52         Hyd r o p h o b icity  s ig n a l a n a lysi s   fo r   r o b u s t S A R S - C o V - 2   cla s s ifica tio n   ( Mo h a mma d   J a mh u r i)   1303     ( a)     ( b )     Fig u r e  3 .   Pro p o s ed   m et h o d   ( a)   c o n f u s io n   m atr ix   a n d   ( b )   R OC   c u r v e  an aly s is   f o r   t h e  C NN       3 . 5 .     Co m pa riso n wit h pre v io us   s t ud ie s   W e  co m p ar ed   th is   s tu d y ' s   r esu lts   with   th r ee   p r io r   s tu d ies  th at  em p lo y e d   m ac h in e  lea r n in g   an d   d ee p   lear n in g   tech n i q u es  to   class if y   v ir al  g en o m es,  s p ec if ically   o n   SAR S - C o V - 2 .   R an d h awa   et   a l .  [ 2 9 ]   u tili ze d   k - m er s   an d   m ac h in e  lear n in g   alg o r ith m s ,   ac h iev in g   a n   ac cu r ac y   o f   1 0 0 %.  Ho wev er ,   th e  lack   o f   r ep o r ted   h y p er p ar am eter s   an d   th e  s m al l  s am p le  s ize  in   th eir   wo r k   m ay   h av e  led   to   o v er f itti n g ,   th u s   co m p r o m is in g   th e   r ep r o d u cib ilit y   an d   g en er aliza b ilit y   o f   th eir   r esu lts .   Ad d itio n ally ,   th ey   r ep o r ted   a  c o m p u t atio n   tim e  o f   2 . 1 4   s ec o n d s   p er   class if icatio n ,   s ig n if ican tly   h i g h er   th an   o u r   p r o p o s ed   m eth o d .   L o p ez - R in co n   et  a l .   [ 1 8 ]   em p lo y ed   d ee p   n e u r al  n etwo r k s   ( DNNs) ,   ac h iev in g   an   ac c u r ac y   o f   9 8 . 7 3 %.  Desp ite  th e  h ig h   ac cu r a cy ,   th eir   s tu d y   was   lim ited   b y   an   im b ala n ce d   d ataset  an d   th e  ex clu s io n   o f   a  co n tr o l  g r o u p ,   wh ich   m ay   af f ec t  th e  m o d el' s   g en er aliza b ilit y .   Fu r th er m o r e ,   th e  DNN  a p p r o ac h   is   co m p u tatio n ally   i n ten s iv e,   r eq u ir in g   s u b s tan tial  d ata  an d   co m p u tatio n al  r eso u r ce s .   Sin g h   et  a l.   [ 2 2 ]   Ad o p tin g   a  d ig it al  s ig n al  p r o ce s s in g   ( DSP)  an d   m ac h in e  lear n in g   ( ML )   ap p r o ac h ,   th ey   ac h iev e d   a  s en s itiv ity   o f   9 6 . 2 9 %,  s p ec i f icity   o f   9 8 . 2 5 %,   an d   ac c u r ac y   o f   9 7 . 4 7 %.  T h ei r   m eth o d   was  n o tab ly   ef f icien t,  with   a  co m p u tatio n   tim e  o f   0 . 3 1   s ec o n d s   p e r   class if ic ati o n .   Ho wev e r ,   th ei r   s tu d y ' s   r elian ce   o n   a  s m all  n u m b er   o f   s am p les  an d   p ar tial   c o d in g   s eq u en ce s   ( C DS)   m ay   a f f ec t  th e   r o b u s tn ess   o f   th eir   r esu lts .   Ou r   p r o p o s ed   C NN - b ased   m e th o d   u s in g   h y d r o p h o b icity   s ig n al  d em o n s tr ated   s u p er i o r   p er f o r m an ce ,   ac h iev in g   o v e r   9 9 . 9 1 %  ac cu r a cy ,   p r ec is io n ,   r ec all,   F1 - s co r e ,   an d   AUC - R OC .   T h e  m eth o d   s h o wed   r o b u s tn ess   in   h an d lin g   lo n g er   test   s eq u en ce s ,   m ain tain in g   h ig h   p er f o r m an ce   ac r o s s   all  m etr ics.  Ad d itio n ally ,   t h e   co m p u tatio n   tim e  f o r   o u r   m e th o d   was  o n ly   0 . 3   s ec o n d s   p er   class if ica tio n ,   m ak in g   it  s u itab le  f o r   r ea l - tim e   ap p licatio n s .   Ou r   ap p r o ac h   also   en s u r ed   b alan ce d   p e r f o r m an ce   ac r o s s   all  m etr ics,  in d icatin g   a   well - g en er alize d   m o d el  ca p ab le  o f   f lex ib le   in p u t  h an d lin g   d u e  to   t h e  u s e  o f   a  h y d r o p h o b icity   s ig n al.     A  co m p ar ativ e  s u m m ar y   is   p r o v id ed   i n   T ab le  7 .   Desp ite  th e  p r o m is in g   r esu lts ,   o u r   s tu d y   h as  s o m e  lim itatio n s .   T h e  co m p u tatio n al  co s t  o f   g en er atin g   a  h y d r o p h o b icity   s ig n al  an d   t r ain in g   th e  C NN  m o d el  is   h ig h ,   wh ich   m ay   lim it its   s ca lab ilit y .   Ad d itio n ally ,   t h e  m o d el' s   p er f o r m a n ce   was  n o t v alid ated   with   b io lo g ical   in s ig h ts   o r   e x p er im e n tal  d ata,   wh ic h   wo u ld   s tr en g th e n   its   ap p licab ilit y   in   r ea l - wo r ld   v ir u s   class if icatio n   s ce n ar io s .       T ab le  7 .   C o m p a r ativ e  a n aly s is   o f   SAR S - C o V - 2  class if icatio n   m eth o d s   S t u d y   M e t h o d   A c c .   P r e c .   R e c .   F1   C T  ( se c )   R a n d h a w a   e t   a l .   k - mers   +   M L   1 0 0 . 0 0 %   -   -   -   2 . 1 4   Lo p e z - R i n c o n   e t   a l .   DNN   9 8 . 7 3 %   -   -   -   -   S i n g h   e t   a l .   D S P   +   M L  ( R F )   9 7 . 4 7 %   9 6 . 2 9 %   9 8 . 2 5 %   -   0 . 3 1   O u r   M e t h o d   C N N   +   H y d r o p h o b i c i t y   I mg   9 9 . 9 1 %   1 0 0 . 0 0 %   9 9 . 1 7 %   9 9 . 5 9 %   0 . 3       4.   CO NCLU SI O N   I n   th is   wo r k ,   we  h av e  d em o n s tr ated   th e  r o b u s tn ess   an d   ef f ec tiv en ess   o f   o u r   p r o p o s ed   class if icatio n   m o d el,   wh ich   u tili ze s   a  h y d r o p h o b icity   s ig n al  d er iv e d   f r o m   DNA  s eq u en ce s   to   d is tin g u is h   b etwe en   SAR S - C o V - 2   an d   n o n - SAR S - C o V - 2   v ir u s es.  T h is   class if icatio n   is   cr u cial  f o r   u n d er s tan d in g   v ir al  g en o m es  an d   h as   s ig n if ican t  im p licatio n s   f o r   d r u g   d is co v er y   an d   p u b lic  h ea lt h .   Ou r   ex p er im e n tal  r esu lts   s h o w  th at  o u r   m o d el  co n s is ten tly   o u tp er f o r m s   b as elin e  m eth o d s   th at  u s e  r aw  s eq u en ce   d ata,   p a r ticu lar ly   wh en   h an d lin g   te s t  s eq u en ce s   th at  d if f er   in   len g th   f r o m   t h o s e  in   th e   tr ain in g   s et.   Ou r   p r o p o s ed   m eth o d   a ch iev ed   o v er   9 9 %  ac cu r ac y ,   p r ec is io n ,   r ec all,   F1 - s co r e,   an d   AUC - R OC .   T h is   p er f o r m an ce   is   s ig n if ican tl y   h ig h er   th an   th e   b aselin e  m eth o d s ,   wh ich   s tr u g g led   with   lo n g er   s eq u en ce s   an d   attain ed   m u c h   lo wer   av e r ag e  m etr ics.  T h ese  r esu lts   h ig h lig h t  th e   p o ten tial o f   h y d r o p h o b icity   s ig n als  as  a   s u p er io r   f ea tu r e   r ep r esen tatio n ,   p r o v id in g   a  m o r e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.