High-Performance Modelling and Simulation for Big Data Applications

This open access book was prepared as a Final Publication of the COST Action IC1406 “High-Performance Modelling and Simulation for Big Data Applications (cHiPSet)“ project. Long considered important pillars of the scientific method, Modelling and Simulation have evolved from traditional discrete numerical methods to complex data-intensive continuous analytical optimisations. Resolution, scale, and accuracy have become essential to predict and analyse natural and complex systems in science and engineering. When their level of abstraction raises to have a better discernment of the domain at hand, their representation gets increasingly demanding for computational and data resources. On the other hand, High Performance Computing typically entails the effective use of parallel and distributed processing units coupled with efficient storage, communication and visualisation systems to underpin complex data-intensive applications in distinct scientific and technical domains. It is then arguably required to have a seamless interaction of High Performance Computing with Modelling and Simulation in order to store, compute, analyse, and visualise large data sets in science and engineering. Funded by the European Commission, cHiPSet has provided a dynamic trans-European forum for their members and distinguished guests to openly discuss novel perspectives and topics of interests for these two communities. This cHiPSet compendium presents a set of selected case studies related to healthcare, biological data, computational advertising, multimedia, finance, bioinformatics, and telecommunications

High-Performance Modelling and Simulation for Big Data Applications

This open access book was prepared as a Final Publication of the COST Action IC1406 “High-Performance Modelling and Simulation for Big Data Applications (cHiPSet)“ project. Long considered important pillars of the scientific method, Modelling and Simulation have evolved from traditional discrete numerical methods to complex data-intensive continuous analytical optimisations. Resolution, scale, and accuracy have become essential to predict and analyse natural and complex systems in science and engineering. When their level of abstraction raises to have a better discernment of the domain at hand, their representation gets increasingly demanding for computational and data resources. On the other hand, High Performance Computing typically entails the effective use of parallel and distributed processing units coupled with efficient storage, communication and visualisation systems to underpin complex data-intensive applications in distinct scientific and technical domains. It is then arguably required to have a seamless interaction of High Performance Computing with Modelling and Simulation in order to store, compute, analyse, and visualise large data sets in science and engineering. Funded by the European Commission, cHiPSet has provided a dynamic trans-European forum for their members and distinguished guests to openly discuss novel perspectives and topics of interests for these two communities. This cHiPSet compendium presents a set of selected case studies related to healthcare, biological data, computational advertising, multimedia, finance, bioinformatics, and telecommunications

Pacific Symposium on Biocomputing 2023

The Pacific Symposium on Biocomputing (PSB) 2023 is an international, multidisciplinary conference for the presentation and discussion of current research in the theory and application of computational methods in problems of biological significance. Presentations are rigorously peer reviewed and are published in an archival proceedings volume. PSB 2023 will be held on January 3-7, 2023 in Kohala Coast, Hawaii. Tutorials and workshops will be offered prior to the start of the conference.PSB 2023 will bring together top researchers from the US, the Asian Pacific nations, and around the world to exchange research results and address open issues in all aspects of computational biology. It is a forum for the presentation of work in databases, algorithms, interfaces, visualization, modeling, and other computational methods, as applied to biological problems, with emphasis on applications in data-rich areas of molecular biology.The PSB has been designed to be responsive to the need for critical mass in sub-disciplines within biocomputing. For that reason, it is the only meeting whose sessions are defined dynamically each year in response to specific proposals. PSB sessions are organized by leaders of research in biocomputing's 'hot topics.' In this way, the meeting provides an early forum for serious examination of emerging methods and approaches in this rapidly changing field

Modeling and Simulation in Engineering

This book provides an open platform to establish and share knowledge developed by scholars, scientists, and engineers from all over the world, about various applications of the modeling and simulation in the design process of products, in various engineering fields. The book consists of 12 chapters arranged in two sections (3D Modeling and Virtual Prototyping), reflecting the multidimensionality of applications related to modeling and simulation. Some of the most recent modeling and simulation techniques, as well as some of the most accurate and sophisticated software in treating complex systems, are applied. All the original contributions in this book are jointed by the basic principle of a successful modeling and simulation process: as complex as necessary, and as simple as possible. The idea is to manipulate the simplifying assumptions in a way that reduces the complexity of the model (in order to make a real-time simulation), but without altering the precision of the results

Bioinformatics

This book is divided into different research areas relevant in Bioinformatics such as biological networks, next generation sequencing, high performance computing, molecular modeling, structural bioinformatics, molecular modeling and intelligent data analysis. Each book section introduces the basic concepts and then explains its application to problems of great relevance, so both novice and expert readers can benefit from the information and research works presented here

From condition-specific interactions towards the differential complexome of proteins

While capturing the transcriptomic state of a cell is a comparably simple effort with modern sequencing techniques, mapping protein interactomes and complexomes in a sample-specific manner is currently not feasible on a large scale. To understand crucial biological processes, however, knowledge on the physical interplay between proteins can be more interesting than just their mere expression. In this thesis, we present and demonstrate four software tools that unlock the cellular wiring in a condition-specific manner and promise a deeper understanding of what happens upon cell fate transitions. PPIXpress allows to exploit the abundance of existing expression data to generate specific interactomes, which can even consider alternative splicing events when protein isoforms can be related to the presence of causative protein domain interactions of an underlying model. As an addition to this work, we developed the convenient differential analysis tool PPICompare to determine rewiring events and their causes within the inferred interaction networks between grouped samples. Furthermore, we present a new implementation of the combinatorial protein complex prediction algorithm DACO that features a significantly reduced runtime. This improvement facilitates an application of the method for a large number of samples and the resulting sample-specific complexes can ultimately be assessed quantitatively with our novel differential protein complex analysis tool CompleXChange.Das Transkriptom einer Zelle ist mit modernen Sequenzierungstechniken vergleichsweise einfach zu erfassen. Die Ermittlung von Proteininteraktionen und -komplexen wiederum ist in großem Maßstab derzeit nicht möglich. Um wichtige biologische Prozesse zu verstehen, kann das Zusammenspiel von Proteinen jedoch erheblich interessanter sein als deren reine Expression. In dieser Arbeit stellen wir vier Software-Tools vor, die es ermöglichen solche Interaktionen zustandsbezogen zu betrachten und damit ein tieferes Verständnis darüber versprechen, was in der Zelle bei Veränderungen passiert. PPIXpress ermöglicht es vorhandene Expressionsdaten zu nutzen, um die aktiven Interaktionen in einem biologischen Kontext zu ermitteln. Wenn Proteinvarianten mit Interaktionen von Proteindomänen in Verbindung gebracht werden können, kann hierbei sogar alternatives Spleißen berücksichtigen werden. Als Ergänzung dazu haben wir das komfortable Differenzialanalyse-Tool PPICompare entwickelt, welches Veränderungen des Interaktoms und deren Ursachen zwischen gruppierten Proben bestimmen kann. Darüber hinaus stellen wir eine neue Implementierung des Proteinkomplex-Vorhersagealgorithmus DACO vor, die eine deutlich reduzierte Laufzeit aufweist. Diese Verbesserung ermöglicht die Anwendung der Methode auf eine große Anzahl von Proben. Die damit bestimmten probenspezifischen Komplexe können schließlich mit unserem neuartigen Differenzialanalyse-Tool CompleXChange quantitativ bewertet werden

Machine learning-based automated segmentation with a feedback loop for 3D synchrotron micro-CT

Die Entwicklung von Synchrotronlichtquellen der dritten Generation hat die Grundlage für die Untersuchung der 3D-Struktur opaker Proben mit einer Auflösung im Mikrometerbereich und höher geschaffen. Dies führte zur Entwicklung der Röntgen-Synchrotron-Mikro-Computertomographie, welche die Schaffung von Bildgebungseinrichtungen zur Untersuchung von Proben verschiedenster Art förderte, z.B. von Modellorganismen, um die Physiologie komplexer lebender Systeme besser zu verstehen. Die Entwicklung moderner Steuerungssysteme und Robotik ermöglichte die vollständige Automatisierung der Röntgenbildgebungsexperimente und die Kalibrierung der Parameter des Versuchsaufbaus während des Betriebs. Die Weiterentwicklung der digitalen Detektorsysteme führte zu Verbesserungen der Auflösung, des Dynamikbereichs, der Empfindlichkeit und anderer wesentlicher Eigenschaften. Diese Verbesserungen führten zu einer beträchtlichen Steigerung des Durchsatzes des Bildgebungsprozesses, aber auf der anderen Seite begannen die Experimente eine wesentlich größere Datenmenge von bis zu Dutzenden von Terabyte zu generieren, welche anschließend manuell verarbeitet wurden. Somit ebneten diese technischen Fortschritte den Weg für die Durchführung effizienterer Hochdurchsatzexperimente zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben, welche Datensätze von besserer Qualität produzierten. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft besteht daher ein hoher Bedarf an einem effizienten, automatisierten Workflow für die Röntgendatenanalyse, welcher eine solche Datenlast bewältigen und wertvolle Erkenntnisse für die Fachexperten liefern kann. Die bestehenden Lösungen für einen solchen Workflow sind nicht direkt auf Hochdurchsatzexperimente anwendbar, da sie für Ad-hoc-Szenarien im Bereich der medizinischen Bildgebung entwickelt wurden. Daher sind sie nicht für Hochdurchsatzdatenströme optimiert und auch nicht in der Lage, die hierarchische Beschaffenheit von Proben zu nutzen. Die wichtigsten Beiträge der vorliegenden Arbeit sind ein neuer automatisierter Analyse-Workflow, der für die effiziente Verarbeitung heterogener Röntgendatensätze hierarchischer Natur geeignet ist. Der entwickelte Workflow basiert auf verbesserten Methoden zur Datenvorverarbeitung, Registrierung, Lokalisierung und Segmentierung. Jede Phase eines Arbeitsablaufs, die eine Trainingsphase beinhaltet, kann automatisch feinabgestimmt werden, um die besten Hyperparameter für den spezifischen Datensatz zu finden. Für die Analyse von Faserstrukturen in Proben wurde eine neue, hochgradig parallelisierbare 3D-Orientierungsanalysemethode entwickelt, die auf einem neuartigen Konzept der emittierenden Strahlen basiert und eine präzisere morphologische Analyse ermöglicht. Alle entwickelten Methoden wurden gründlich an synthetischen Datensätzen validiert, um ihre Anwendbarkeit unter verschiedenen Abbildungsbedingungen quantitativ zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass der Workflow in der Lage ist, eine Reihe von Datensätzen ähnlicher Art zu verarbeiten. Darüber hinaus werden die effizienten CPU/GPU-Implementierungen des entwickelten Workflows und der Methoden vorgestellt und der Gemeinschaft als Module für die Sprache Python zur Verfügung gestellt. Der entwickelte automatisierte Analyse-Workflow wurde erfolgreich für Mikro-CT-Datensätze angewandt, die in Hochdurchsatzröntgenexperimenten im Bereich der Entwicklungsbiologie und Materialwissenschaft gewonnen wurden. Insbesondere wurde dieser Arbeitsablauf für die Analyse der Medaka-Fisch-Datensätze angewandt, was eine automatisierte Segmentierung und anschließende morphologische Analyse von Gehirn, Leber, Kopfnephronen und Herz ermöglichte. Darüber hinaus wurde die entwickelte Methode der 3D-Orientierungsanalyse bei der morphologischen Analyse von Polymergerüst-Datensätzen eingesetzt, um einen Herstellungsprozess in Richtung wünschenswerter Eigenschaften zu lenken