The iPlant Collaborative: Cyberinfrastructure for Plant Biology

The iPlant Collaborative (iPlant) is a United States National Science Foundation (NSF) funded project that aims to create an innovative, comprehensive, and foundational cyberinfrastructure in support of plant biology research (PSCIC, 2006). iPlant is developing cyberinfrastructure that uniquely enables scientists throughout the diverse fields that comprise plant biology to address Grand Challenges in new ways, to stimulate and facilitate cross-disciplinary research, to promote biology and computer science research interactions, and to train the next generation of scientists on the use of cyberinfrastructure in research and education. Meeting humanity's projected demands for agricultural and forest products and the expectation that natural ecosystems be managed sustainably will require synergies from the application of information technologies. The iPlant cyberinfrastructure design is based on an unprecedented period of research community input, and leverages developments in high-performance computing, data storage, and cyberinfrastructure for the physical sciences. iPlant is an open-source project with application programming interfaces that allow the community to extend the infrastructure to meet its needs. iPlant is sponsoring community-driven workshops addressing specific scientific questions via analysis tool integration and hypothesis testing. These workshops teach researchers how to add bioinformatics tools and/or datasets into the iPlant cyberinfrastructure enabling plant scientists to perform complex analyses on large datasets without the need to master the command-line or high-performance computational services

HPC Cloud for Scientific and Business Applications: Taxonomy, Vision, and Research Challenges

High Performance Computing (HPC) clouds are becoming an alternative to on-premise clusters for executing scientific applications and business analytics services. Most research efforts in HPC cloud aim to understand the cost-benefit of moving resource-intensive applications from on-premise environments to public cloud platforms. Industry trends show hybrid environments are the natural path to get the best of the on-premise and cloud resources---steady (and sensitive) workloads can run on on-premise resources and peak demand can leverage remote resources in a pay-as-you-go manner. Nevertheless, there are plenty of questions to be answered in HPC cloud, which range from how to extract the best performance of an unknown underlying platform to what services are essential to make its usage easier. Moreover, the discussion on the right pricing and contractual models to fit small and large users is relevant for the sustainability of HPC clouds. This paper brings a survey and taxonomy of efforts in HPC cloud and a vision on what we believe is ahead of us, including a set of research challenges that, once tackled, can help advance businesses and scientific discoveries. This becomes particularly relevant due to the fast increasing wave of new HPC applications coming from big data and artificial intelligence.Comment: 29 pages, 5 figures, Published in ACM Computing Surveys (CSUR

Molecular phylogenetic analysis: design and implementation of scalable and reliable algorithms and verification of phylogenetic properties

El término bioinformática tiene muchas acepciones, una gran parte referentes a la bioinformática molecular: el conjunto de métodos matemáticos, estadísticos y computacionales que tienen como objetivo dar solución a problemas biológicos, haciendo uso exclusivamente de las secuencias de ADN, ARN y proteínas y su información asociada. La filogenética es el área de la bioinformática encargada del estudio de la relación evolutiva entre organismos de la misma o distintas especies. Al igual que sucedía con la definición anterior, los trabajos realizados a lo largo de esta tesis se centran en la filogenética molecular: la rama de la filogenética que analiza las mutaciones hereditarias en secuencias biológicas (principalmente ADN) para establecer dicha relación evolutiva. El resultado de este análisis se plasma en un árbol evolutivo o filogenia. Una filogenia suele representarse como un árbol con raíz, normalmente binario, en el que las hojas simbolizan los organismos existentes actualmente y, la raíz, su ancestro común. Cada nodo interno representa una mutación que ha dado lugar a una división en la clasificación de los descendientes. Las filogenias se construyen mediante procesos de inferencia en base a la información disponible, que pertenece mayoritariamente a organismos existentes hoy en día. La complejidad de este problema se ha visto reflejada en la clasificación de la mayoría de métodos propuestos para su solución como NP-duros [1-3].El caso real de aplicación de esta tesis ha sido el ADN mitocondrial. Este tipo de secuencias biológicas es relevante debido a que tiene un alto índice de mutación, por lo que incluso filogenias de organismos muy cercanos evolutivamente proporcionan datos significativos para la comunidad biológica. Además, varias mutaciones del ADN mitocondrial humano se han relacionado directamente con enfermedad y patogenias, la mayoría mortales en individuos no natos o de corta edad. En la actualidad hay más de 30000 secuencias disponibles de ADN mitocondrial humano, lo que, además de su utilidad científica, ha permitido el análisis de rendimiento de nuestras contribuciones para datos masivos (Big Data). La reciente incorporación de la bioinformática en la categoría Big Data viene respaldada por la mejora de las técnicas de digitalización de secuencias biológicas que sucedió a principios del siglo 21 [4]. Este cambio aumentó drásticamente el número de secuencias disponibles. Por ejemplo, el número de secuencias de ADN mitocondrial humano pasó de duplicarse cada cuatro años, a hacerlo en menos de dos. Por ello, un gran número de métodos y herramientas usados hasta entonces han quedado obsoletos al no ser capaces de procesar eficientemente estos nuevos volúmenes de datos.Este es motivo por el que todas las aportaciones de esta tesis han sido desarrolladas para poder tratar grandes volúmenes de datos. La contribución principal de esta tesis es un framework que permite diseñar y ejecutar automáticamente flujos de trabajo para la inferencia filogenética: PhyloFlow [5-7]. Su creación fue promovida por el hecho de que la mayoría de sistemas de inferencia filogenética existentes tienen un flujo de trabajo fijo y no se pueden modificar ni las herramientas software que los componen ni sus parámetros. Esta decisión puede afectar negativamente a la precisión del resultado si el flujo del sistema o alguno de sus componentes no está adaptado a la información biológica que se va a utilizar como entrada. Por ello, PhyloFlow incorpora un proceso de configuración que permite seleccionar tanto cada uno de los procesos que formarán parte del sistema final, como las herramientas y métodos específicos y sus parámetros. Se han incluido consejos y opciones por defecto durante el proceso de configuración para facilitar su uso, sobre todo a usuarios nóveles. Además, nuestro framework permite la ejecución desatendida de los sistemas filogenéticos generados, tanto en ordenadores de sobremesa como en plataformas hardware (clusters, computación en la nube, etc.). Finalmente, se han evaluado las capacidades de PhyloFlow tanto en la reproducción de sistemas de inferencia filogenética publicados anteriormente como en la creación de sistemas orientados a problemas intensivos como el de inferencia del ADN mitocondrial humano. Los resultados muestran que nuestro framework no solo es capaz de realizar los retos planteados, sino que, en el caso de la replicación de sistemas, la posibilidad de configurar cada elemento que los componen mejora ampliamente su aplicabilidad.Durante la implementación de PhyloFlow descubrimos varias carencias importantes en algunas bibliotecas software actuales que dificultaron la integración y gestión de las herramientas filogenéticas. Por este motivo se decidió crear la primera biblioteca software en Python para estudios de filogenética molecular: MEvoLib [8]. Esta biblioteca ha sido diseñada para proveer una sola interfaz para los conjuntos de herramientas software orientados al mismo proceso, como el multialineamiento o la inferencia de filogenias. MEvoLib incluye además configuraciones por defecto y métodos que hacen uso de conocimiento biológico específico para mejorar su precisión, adaptándose a las necesidades de cada tipo de usuario. Como última característica relevante, se ha incorporado un proceso de conversión de formatos para los ficheros de entrada y salida de cada interfaz, de forma que, si la herramienta seleccionada no soporta dicho formato, este es adaptado automáticamente. Esta propiedad facilita el uso e integración de MEvoLib en scripts y herramientas software.El estudio del caso de aplicación de PhyloFlow al ADN mitocondrial humano ha expuesto los elevados costes tanto computacionales como económicos asociados a la inferencia de grandes filogenias. Por ello, sistemas como PhyloTree [9], que infiere un tipo especial de filogenias de ADN mitocondrial humano, recalculan sus resultados con una frecuencia máxima anual. Sin embargo, como ya hemos comentado anteriormente, las técnicas de secuenciación actuales permiten la incorporación de cientos o incluso miles de secuencias biológicas nuevas cada mes. Este desfase entre productor y consumidor hace que dichas filogenias queden desactualizadas en unos pocos meses. Para solucionar este problema hemos diseñado un nuevo algoritmo que permite la actualización de una filogenia mediante la incorporación iterativa de nuevas secuencias: PHYSER [10]. Además, la propia información evolutiva se utiliza para detectar posibles mutaciones introducidas artificialmente por el proceso de secuenciación, inexistentes en la secuencia original. Las pruebas realizadas con ADN mitocondrial han probado su eficacia y eficiencia, con un coste temporal por secuencia inferior a los 20 segundos.El desarrollo de nuevas herramientas para el análisis de filogenias también ha sido una parte importante de esta tesis. En concreto, se han realizado dos aportaciones principales en este aspecto: PhyloViewer [11] y una herramienta para el análisis de la conservación [12]. PhyloViewer es un visualizador de filogenias extensivas, es decir, filogenias que poseen al menos un millar de hojas. Esta herramienta aporta una novedosa interfaz en la que se muestra el nodo seleccionado y sus nodos hijo, así como toda la información asociada a cada uno de ellos: identificador, secuencia biológica, ... Esta decisión de diseño ha sido orientada a evitar el habitual “borrón” que se produce en la mayoría de herramientas de visualización al mostrar este tipo de filogenias enteras por pantalla. Además, se ha desarrollado en una arquitectura clienteservidor, con lo que el procesamiento de la filogenia se realiza una única vez por parte el servidor. Así, se ha conseguido reducir significativamente los tiempos de carga y acceso por parte del cliente. Por otro lado, la aportación principal de nuestra herramienta para el análisis de la conservación se basa en la paralelización de los métodos clásicos aplicados en este campo, alcanzando speed-ups cercanos al teórico sin pérdida de precisión. Esto ha sido posible gracias a la implementación de dichos métodos desde cero, incorporando la paralelización a nivel de instrucción, en vez de paralelizar implementaciones existentes. Como resultado, nuestra herramienta genera un informe que contiene las conclusiones del análisis de conservación realizado. El usuario puede introducir un umbral de conservación para que el informe destaque solo aquellas posiciones que no lo cumplan. Además, existen dos tipos de informe con distinto nivel de detalle. Ambos se han diseñado para que sean comprensibles y útiles para los usuarios.Finalmente, se ha diseñado e implementado un predictor de mutaciones patógenas en ADN mitocondrial desarollado en máquinas de vectores de soporte (SVM): Mitoclass.1 [13]. Se trata del primer predictor para este tipo de secuencias biológicas. Tanto es así, que ha sido necesario crear el primer repositorio de mutaciones patógenas conocidas, mdmv.1, para poder entrenar y evaluar nuestro predictor. Se ha demostrado que Mitoclass.1 mejora la clasificación de las mutaciones frente a los predictores más conocidos y utilizados, todos ellos orientados al estudio de patogenicidad en ADN nuclear. Este éxito radica en la novedosa combinación de propiedades a evaluar por cada mutación en el proceso de clasificación. Además, otro factor a destacar es el uso de SVM frente a otras alternativas, que han sido probadas y descartadas debido a su menor capacidad de predicción para nuestro caso de aplicación.REFERENCIAS[1] L. Wang and T. Jiang, “On the complexity of multiple sequence alignment,” Journal of computational biology, vol. 1, no. 4, pp. 337–348, 1994.[2] W. H. E. Day, D. S. Johnson, and D. Sankoff, “The Computational Complexity of Inferring Rooted Phylogenies by Parsimony,” Mathematical Biosciences, vol. 81, no. 1, pp. 33–42, 1986.[3] S. Roch, “A short proof that phylogenetic tree reconstruction by maximum likelihood is hard,” IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics (TCBB), vol. 3, no. 1, p. 92, 2006.[4] E. R. Mardis, “The impact of next-generation sequencing technology on genetics,” Trends in genetics, vol. 24, no. 3, pp. 133–141, 2008.[5] J. Álvarez-Jarreta, G. de Miguel Casado, and E. Mayordomo, “PhyloFlow: A Fully Customizable and Automatic Workflow for Phylogeny Estimation,” in ECCB 2014, 2014.[6] J. Álvarez-Jarreta, G. de Miguel Casado, and E. Mayordomo, “PhyloFlow: A Fully Customizable and Automatic Workflow for Phylogenetic Reconstruction,” in IEEE International Conference on Bioinformatics and Biomedicine (BIBM), pp. 1–7, IEEE, 2014.[7] J. Álvarez, R. Blanco, and E. Mayordomo, “Workflows with Model Selection: A Multilocus Approach to Phylogenetic Analysis,” in 5th International Conference on Practical Applications of Computational Biology & Bioinformatics (PACBB 2011), vol. 93 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pp. 39–47, Springer Berlin Heidelberg, 2011.[8] J. Álvarez-Jarreta and E. Ruiz-Pesini, “MEvoLib v1.0: the First Molecular Evolution Library for Python,” BMC Bioinformatics, vol. 17, no. 436, pp. 1–8, 2016.[9] M. van Oven and M. Kayser, “Updated comprehensive phylogenetic tree of global human mitochondrial DNA variation,” Human Mutation, vol. 30, no. 2, pp. E386–E394, 2009.[10] J. Álvarez-Jarreta, E. Mayordomo, and E. Ruiz-Pesini, “PHYSER: An Algorithm to Detect Sequencing Errors from Phylogenetic Information,” in 6th International Conference on Practical Applications of Computational Biology & Bioinformatics (PACBB 2012), pp. 105–112, 2012.[11] J. Álvarez-Jarreta and G. de Miguel Casado, “PhyloViewer: A Phylogenetic Tree Viewer for Extense Phylogenies,” in ECCB 2014, 2014.[12] F. Merino-Casallo, J. Álvarez-Jarreta, and E. Mayordomo, “Conservation in mitochondrial DNA: Parallelized estimation and alignment influence,” in 2015 IEEE International Conference on Bioinformatics and Biomedicine (BIBM 2015), pp. 1434–1440, IEEE, 2015.[13] A. Martín-Navarro, A. Gaudioso-Simón, J. Álvarez-Jarreta, J. Montoya, E. Mayordomo, and E. Ruiz-Pesini, “Machine learning classifier for identification of damaging missense mutations exclusive to human mitochondrial DNA-encoded polypeptides,” BMC Bioinformatics, vol. 18, no. 158, pp. 1–11, 2017.<br /

An Introduction to Programming for Bioscientists: A Python-based Primer

Computing has revolutionized the biological sciences over the past several decades, such that virtually all contemporary research in the biosciences utilizes computer programs. The computational advances have come on many fronts, spurred by fundamental developments in hardware, software, and algorithms. These advances have influenced, and even engendered, a phenomenal array of bioscience fields, including molecular evolution and bioinformatics; genome-, proteome-, transcriptome- and metabolome-wide experimental studies; structural genomics; and atomistic simulations of cellular-scale molecular assemblies as large as ribosomes and intact viruses. In short, much of post-genomic biology is increasingly becoming a form of computational biology. The ability to design and write computer programs is among the most indispensable skills that a modern researcher can cultivate. Python has become a popular programming language in the biosciences, largely because (i) its straightforward semantics and clean syntax make it a readily accessible first language; (ii) it is expressive and well-suited to object-oriented programming, as well as other modern paradigms; and (iii) the many available libraries and third-party toolkits extend the functionality of the core language into virtually every biological domain (sequence and structure analyses, phylogenomics, workflow management systems, etc.). This primer offers a basic introduction to coding, via Python, and it includes concrete examples and exercises to illustrate the language's usage and capabilities; the main text culminates with a final project in structural bioinformatics. A suite of Supplemental Chapters is also provided. Starting with basic concepts, such as that of a 'variable', the Chapters methodically advance the reader to the point of writing a graphical user interface to compute the Hamming distance between two DNA sequences.Comment: 65 pages total, including 45 pages text, 3 figures, 4 tables, numerous exercises, and 19 pages of Supporting Information; currently in press at PLOS Computational Biolog

Supporting the Construction of Workflows for Biodiversity Problem-Solving Accessing Secure, Distributed Resources

In the Biodiversity World (BDW) project we have created a flexible and extensible Web Services-based Grid environment for biodiversity researchers to solve problems in biodiversity and analyse biodiversity patterns. In this environment, heterogeneous and globally distributed biodiversity-related resources such as data sets and analytical tools are made available to be accessed and assembled by users into workflows to perform complex scientific experiments. One such experiment is bioclimatic modelling of the geographical distribution of individual species using climate variables in order to explain past and future climate-related changes in species distribution. Data sources and analytical tools required for such analysis of species distribution are widely dispersed, available on heterogeneous platforms, present data in different formats and lack inherent interoperability. The present BDW system brings all these disparate units together so that the user can combine tools with little thought as to their original availability, data formats and interoperability. The new prototype BDW system architecture not only brings together heterogeneous resources but also enables utilisation of computational resources and provides a secure access to BDW resources via a federated security model. We describe features of the new BDW system and its security model which enable user authentication from a workflow application as part of workflow execution

The iPlant Collaborative: Cyberinfrastructure for Plant Biology

The iPlant Collaborative (iPlant) is a United States National Science Foundation (NSF) funded project that aims to create an innovative, comprehensive, and foundational cyberinfrastructure in support of plant biology research (PSCIC, 2006). iPlant is developing cyberinfrastructure that uniquely enables scientists throughout the diverse fields that comprise plant biology to address Grand Challenges in new ways, to stimulate and facilitate cross-disciplinary research, to promote biology and computer science research interactions, and to train the next generation of scientists on the use of cyberinfrastructure in research and education. Meeting humanity's projected demands for agricultural and forest products and the expectation that natural ecosystems be managed sustainably will require synergies from the application of information technologies. The iPlant cyberinfrastructure design is based on an unprecedented period of research community input, and leverages developments in high-performance computing, data storage, and cyberinfrastructure for the physical sciences. iPlant is an open-source project with application programming interfaces that allow the community to extend the infrastructure to meet its needs. iPlant is sponsoring community-driven workshops addressing specific scientific questions via analysis tool integration and hypothesis testing. These workshops teach researchers how to add bioinformatics tools and/or datasets into the iPlant cyberinfrastructure enabling plant scientists to perform complex analyses on large datasets without the need to master the command-line or high-performance computational services

Experiences with workflows for automating data-intensive bioinformatics

High-throughput technologies, such as next-generation sequencing, have turned molecular biology into a data-intensive discipline, requiring bioinformaticians to use high-performance computing resources and carry out data management and analysis tasks on large scale. Workflow systems can be useful to simplify construction of analysis pipelines that automate tasks, support reproducibility and provide measures for fault-tolerance. However, workflow systems can incur significant development and administration overhead so bioinformatics pipelines are often still built without them. We present the experiences with workflows and workflow systems within the bioinformatics community participating in a series of hackathons and workshops of the EU COST action SeqAhead. The organizations are working on similar problems, but we have addressed them with different strategies and solutions. This fragmentation of efforts is inefficient and leads to redundant and incompatible solutions. Based on our experiences we define a set of recommendations for future systems to enable efficient yet simple bioinformatics workflow construction and execution.Pubblicat

National Center for Genome Analysis Program Year 3 Report – September 15, 2013 – September 14, 2014

On September 15, 2011, Indiana University (IU) received three years of support to establish the National Center for Genome Analysis Support (NCGAS). This technical report describes the activities of the third 12 months of NCGASThe facilities supported by the Research Technologies division at Indiana University are supported by a number of grants. The authors would like to acknowledge that although the National Center for Genome Analysis Support is funded by NSF 1062432, our work would not be possible without the generous support of the following awards received by our parent organization, the Pervasive Technology Institute at Indiana University. • The Indiana University Pervasive Technology Institute was supported in part by two grants from the Lilly Endowment, Inc. • NCGAS has also been supported directly by the Indiana METACyt Initiative. The Indiana METACyt Initiative of Indiana University is supported in part by the Lilly Endowment, Inc. • This material is based in part upon work supported by the National Science Foundation under Grant No. CNS-0521433. Any opinions, findings and conclusions or recommendations expressed in this material are those of the authors and do not necessarily reflect the views of the National Science Foundation (NSF)