SIRIUS: decomposing isotope patterns for metabolite identification†

Motivation: High-resolution mass spectrometry (MS) is among the most widely used technologies in metabolomics. Metabolites participate in almost all cellular processes, but most metabolites still remain uncharacterized. Determination of the sum formula is a crucial step in the identification of an unknown metabolite, as it reduces its possible structures to a hopefully manageable set

Online Abelian Pattern Matching

Ejaz T, Rahmann S, Stoye J. Online Abelian Pattern Matching. Forschungsberichte der Technischen Fakultät, Abteilung Informationstechnik / Universität Bielefeld. Bielefeld: Technische Fakultät der Universität Bielefeld; 2008.An abelian pattern describes the set of strings that comprise of the same combination of characters. Given an abelian pattern P and a text T [Epsilon] [Sigma]^n, the task is to find all occurrences of P in T, i.e. all substrings S = T_i...T_j such that the frequency of each character in S matches the specified frequency of that character in P. In this report we present simple online algorithms for abelian pattern matching, and give a lower bound for online algorithms which is [Omega](n)

Molecular Formula Identification using High Resolution Mass Spectrometry: Algorithms and Applications in Metabolomics and Proteomics

Wir untersuchen mehrere theoretische und praktische Aspekte der Identifikation der Summenformel von Biomolekülen mit Hilfe von hochauflösender Massenspektrometrie. Durch die letzten Forschritte in der Instrumentation ist die Massenspektrometrie (MS) zur einen der Schlüsseltechnologien für die Analyse von Biomolekülen in der Proteomik und Metabolomik geworden. Sie misst die Massen der Moleküle in der Probe mit hoher Genauigkeit, und ist für die Messdatenerfassung im Hochdurchsatz gut geeignet. Eine der Kernaufgaben in der MS-basierten Proteomik und Metabolomik ist die Identifikation der Moleküle in der Probe. In der Metabolomik unterliegen Metaboliten der Strukturaufklärung, beginnend bei der Summenformel eines Moleküls, d.h. der Anzahl der Atome jedes Elements. Dies ist der entscheidende Schritt in der Identifikation eines unbekannten Metabolits, da die festgelegte Formel die Anzahl der möglichen Molekülstrukturen auf eine viel kleinere Menge reduziert, die mit Methoden der automatischen Strukturaufklärung weiter analysiert werden kann. Nach der Vorverarbeitung ist die Ausgabe eines Massenspektrometers eine Liste von Peaks, die den Molekülmassen und deren Intensitäten, d.h. der Anzahl der Moleküle mit einer bestimmten Masse, entspricht. Im Prinzip können die Summenformel kleiner Moleküle nur mit präzisen Massen identifiziert werden. Allerdings wurde festgestellt, dass aufgrund der hohen Anzahl der chemisch legitimer Formeln in oberen Massenbereich eine exzellente Massengenaugkeit alleine für die Identifikation nicht genügt. Hochauflösende MS erlaubt die Bestimmung der Molekülmassen und Intensitäten mit hervorragender Genauigkeit. In dieser Arbeit entwickeln wir mehrere Algorithmen und Anwendungen, die diese Information zur Identifikation der Summenformel der Biomolekülen anwenden

Bayesian methods for small molecule identification

Confident identification of small molecules remains a major challenge in untargeted metabolomics, natural product research and related fields. Liquid chromatography-tandem mass spectrometry is a predominant technique for the high-throughput analysis of small molecules and can detect thousands of different compounds in a biological sample. The automated interpretation of the resulting tandem mass spectra is highly non-trivial and many studies are limited to re-discovering known compounds by searching mass spectra in spectral reference libraries. But these libraries are vastly incomplete and a large portion of measured compounds remains unidentified. This constitutes a major bottleneck in the comprehensive, high-throughput analysis of metabolomics data. In this thesis, we present two computational methods that address different steps in the identification process of small molecules from tandem mass spectra. ZODIAC is a novel method for de novo that is, database-independent molecular formula annotation in complete datasets. It exploits similarities of compounds co-occurring in a sample to find the most likely molecular formula for each individual compound. ZODIAC improves on the currently best-performing method SIRIUS; on one dataset by 16.5 fold. We show that de novo molecular formula annotation is not just a theoretical advantage: We discover multiple novel molecular formulas absent from PubChem, one of the biggest structure databases. Furthermore, we introduce a novel scoring for CSI:FingerID, a state-of-the-art method for searching tandem mass spectra in a structure database. This scoring models dependencies between different molecular properties in a predicted molecular fingerprint via Bayesian networks. This problem has the unusual property, that the marginal probabilities differ for each predicted query fingerprint. Thus, we need to apply Bayesian networks in a novel, non-standard fashion. Modeling dependencies improves on the currently best scoring

Peak annotation and data analysis software tools for mass spectrometry imaging

La metabolòmica espacial és la disciplina que estudia les imatges de les distribucions de compostos químics de baix pes (metabòlits) a la superfície dels teixits biològics per revelar interaccions entre molècules. La imatge d'espectrometria de masses (MSI) és actualment la tècnica principal per obtenir informació d'imatges moleculars per a la metabolòmica espacial. MSI és una tecnologia d'imatges moleculars sense marcador que produeix espectres de masses que conserven les estructures espacials de les mostres de teixit. Això s'aconsegueix ionitzant petites porcions d'una mostra (un píxel) en un ràster definit a través de tota la seva superfície, cosa que dona com a resultat una col·lecció d'imatges de distribució de ions (registrades com a relacions massa-càrrega (m/z)) sobre la mostra. Aquesta tesi té com a objectius desenvolupar eines computacionals per a l'anotació de pics de MSI i el disseny de fluxos de treball per a l'anàlisi estadística i multivariant de dades MSI, inclosa la segmentació espacial. El treball realitzat en aquesta tesi es pot separar clarament en dues parts. En primer lloc, el desenvolupament d'una eina d'anotació de pics d'isòtops i adductes adequada per facilitar la identificació de compostos de rang de massa baix. Ara podem trobar fàcilment ions monoisotòpics als nostres conjunts de dades MSI gràcies al paquet de programari rMSIannotation. En segon lloc, el desenvolupament de eines de programari per a l’anàlisi de dades i la segmentació espacial basades en soft clustering per a dades MSI.La metabolómica espacial es la disciplina que estudia las imágenes de las distribuciones de compuestos químicos de bajo peso (metabolitos) en la superficie de los tejidos biológicos para revelar interacciones entre moléculas. Las imágenes de espectrometría de masas (MSI) es actualmente la principal técnica para obtener información de imágenes moleculares para la metabolómica espacial. MSI es una tecnología de imágenes moleculares sin marcador que produce espectros de masas que conservan las estructuras espaciales de las muestras de tejido. Esto se logra ionizando pequeñas porciones de una muestra (un píxel) en un ráster definido a través de toda su superficie, lo que da como resultado una colección de imágenes de distribución de iones (registradas como relaciones masa-carga (m/z)) sobre la muestra. Esta tesis tiene como objetivo desarrollar herramientas computacionales para la anotación de picos en MSI y en el diseño de flujos de trabajo para el análisis estadístico y multivariado de datos MSI, incluida la segmentación espacial. El trabajo realizado en esta tesis se puede separar claramente en dos partes. En primer lugar, el desarrollo de una herramienta de anotación de picos de isótopos y aductos adecuada para facilitar la identificación de compuestos de bajo rango de masa. Ahora podemos encontrar fácilmente iones monoisotópicos en nuestros conjuntos de datos MSI gracias al paquete de software rMSIannotation.Spatial metabolomics is the discipline that studies the images of the distributions of low weight chemical compounds (metabolites) on the surface of biological tissues to unveil interactions between molecules. Mass spectrometry imaging (MSI) is currently the principal technique to get molecular imaging information for spatial metabolomics. MSI is a labelfree molecular imaging technology that produces mass spectra preserving the spatial structures of tissue samples. This is achieved by ionizing small portions of a sample (a pixel) in a defined raster through all its surface, which results in a collection of ion distribution images (registered as mass-to-charge ratios (m/z)) over the sample. This thesis is aimed to develop computational tools for peak annotation in MSI and in the design of workflows for the statistical and multivariate analysis of MSI data, including spatial segmentation. The work carried out in this thesis can be clearly separated in two parts. Firstly, the development of an isotope and adduct peak annotation tool suited to facilitate the identification of the low mass range compounds. We can now easily find monoisotopic ions in our MSI datasets thanks to the rMSIannotation software package. Secondly, the development of software tools for data analysis and spatial segmentation based on soft clustering for MSI data. In this thesis, we have developed tools and methodologies to search for significant ions (rMSIKeyIon software package) and for the soft clustering of tissues (Fuzzy c-means algorithm)

Interactive graphics, graphical user interfaces and software interfaces for the analysis of biological experimental data and networks

Biologists need to analyze and comprehend increasingly large and more complex multivariate experimental data. Biological experiments often produce multiple data sets, each describing one aspect of the system, such as the transcriptome recorded by a microarray or metabolome recorded using gas chromatography mass spectrometry (GC-MS). A biochemical network model provides a conceptual system-level framework for integrating data from different sources.;Effective use of graphics enhances the comprehension of data, and interactive graphics permit the analyst to actively explore data, check its integrity, satiate curiosities and reveal the unexpected. Interactive graphics have not been widely applied as a means for understanding data from biological experiments.;This thesis addresses these needs by providing new methods and software that apply interactive graphics in coordination with numerical methods to the analysis of biological data, in a manner that is accessible to biologists

Computational methods for small molecule identification

Identification of small molecules remains a central question in analytical chemistry, in particular for natural product research, metabolomics, environmental research, and biomarker discovery. Mass spectrometry is the predominant technique for high-throughput analysis of small molecules. But it reveals only information about the mass of molecules and, by using tandem mass spectrometry, about the mass of molecular fragments. Automated interpretation of mass spectra is often limited to searching in spectral libraries, such that we can only dereplicate molecules for which we have already recorded reference mass spectra. In this thesis we present methods for answering two central questions: What is the molecular formula of the measured ion and what is its molecular structure? SIRIUS is a combinatorial optimization method for annotating a spectrum and identifying the ion's molecular formula by computing hypothetical fragmentation trees. We present a new scoring for computing fragmentation trees, transforming the combinatorial optimization into a maximum a posteriori estimator. This allows us to learn parameters and hyperparameters of the scoring directly from data. We demonstrate that the statistical model, which was fitted on a small dataset, generalises well across many different datasets and mass spectrometry instruments. In addition to tandem mass spectra, isotope pattern can be used for identifying the molecular formula of the precursor ion. We present a novel scoring for comparing isotope patterns based on maximum likelihood. We describe how to integrate the isotope pattern analysis into the fragmentation tree optimisation problem to analyse data were fragment peaks and isotope peaks occur within the same spectrum. We demonstrate that the new scorings significantly improves on the task of molecular formula assignment. We evaluate SIRIUS on several datasets and show that it outperforms all other methods for molecular formula annotation by a large margin. We also present CSI:FingerID, a method for predicting a molecular fingerprint from a tandem mass spectrum using kernel support vector machines. The predicted fingerprint can be searched in a structure database to identify the molecular structure. CSI:FingerID is based on FingerID, that uses probability product kernels on mass spectra for this task. We describe several novel kernels for comparing fragmentation trees instead of spectra. These kernels are combined using multiple kernel learning. We present a new scoring based on posterior probabilities and extend the method to use additional molecular fingerprints. We demonstrate on several datasets that CSI:FingerID identifies more molecules than its predecessor FingerID and outperforms all other methods for this task. We analyse how each of the methodological improvements of CSI:FingerID contributes to its identification performance and make suggestions for future improvements of the method. Both methods, SIRIUS and CSI:FingerID, are available as commandline tool and as user interface. The molecular fingerprint prediction is implemented as web service and receives over one million requests per month.Die Identifizierung kleiner Moleküle ist eine zentrale Fragestellung der analytischen Chemie, insbesondere in der Naturwirkstoffforschung, der Metabolomik, der Ökologie und Umweltforschung sowie in der Entwicklung neuer Diagnoseverfahren mittels Biomarker. Massenspektrometrie ist die vorherrschende Technik für Hochdurchsatzanalysen kleiner Moleküle. Aber sie liefert nur Informationen über die Masse der gemessenen Moleküle und, mittels Tandem-Massenspektrometrie, über die Massen der gemessenen Fragmente. Die automatisierte Auswertung von Massenspektren beschränkt sich oft auf die Suche in Spektrendatenbanken, so dass nur Moleküle derepliziert werden können, die bereits in einer solchen Datenbank gemessen wurden. In dieser Dissertation präsentieren wir zwei Methoden zur Beantwortung zweier zentraler Fragen: Was ist die Molekülformel eines gemessenen Ions? Und was ist seine Molekülstruktur? SIRIUS ist eine Methode der kombinatorischen Optimierung für die Annotation von Massenspektren und der Identifikation der Molekülformel. Dazu berechnet sie hypothetische Fragmentierungsbäume. Wir stellen ein neues Scoring Modell für die Berechnung von Fragmentierungsbäumen vor, welches die kombinatorische Optimierung als einen Maximum-a-posteriori-Schätzer auffasst. Dieses Modell ermöglicht es uns, Parameter und Hyperparameter des Scorings direkt aus den Daten abzuschätzen. Wir zeigen, dass dieses statistische Modell, dessen (Hyper)Parameter auf einem kleinen Datensatz geschätzt wurden, allgemeingültig für viele Datensätze und sogar für verschiedene Massenspektrometriegeräte ist. Neben Tandem-Massenspektren lassen sich auch Isotopenmuster zur Molekülformelidentifizierung des Ions verwenden. Wir stellen ein neuartiges Scoring für den Vergleich von Isotopenmustern vor, welches auf Maximum Likelihood basiert. Wir beschreiben, wie die Isotopenmusteranalyse in das Optimierungsproblem für Fragmentierungsbäume integriert werden kann, so dass sich auch Daten analysieren lassen, in denen Fragmente und Isotopenmuster im selben Massenspektrum gemessen werden. Wir zeigen, dass das neue Scoring die korrekte Zuweisung der Molekülformeln signifikant verbessert. Wir evaluieren SIRIUS auf einer Vielzahl von Datensätzen und zeigen, dass die Methode deutlich besser funktioniert als alle anderen Methoden für die Identifikation von Molekülformeln. Wir stellen außerdem CSI:FingerID vor, eine Methode, die Kernel Support Vector Maschinen zur Vorhersage von molekularen Fingerabdrücken aus Tandem-Massenspektren nutzt. Vorhergesagte molekulare Fingerabdrücke können in Strukturdatenbanken gesucht werden, um die genaue Molekülstruktur aufzuklären. CSI:FingerID basiert auf FingerID, welches Wahrscheinlichkeitsprodukt-Kernels für diese Aufgabe benutzt. Wir beschreiben etliche neue Kernels, zum Vergleich von Fragmentierungsbäumen anstelle von Massenspektren. Diese Kernels werden mittels Multiple Kernel Learning zu einem Kernel kombiniert. Wir stellen ein neues Scoring vor, welches auf A-posteriori-Wahrscheinlichkeiten basiert. Außerdem erweitern wir die Methode, so dass sie zusätzliche molekulare Fingerabdrücke verwendet. Wir zeigen auf verschiedenen Testdatensätzen, dass CSI:FingerID mehr Molekülstrukturen identifizieren kann als der Vorgänger FingerID, und damit auch alle anderen Methoden für diese Anwendung übertrifft. Wir werten aus, wie die verschiedenen methodischen Erweiterung zur Identifikationsrate von CSI:FingerID beitragen und machen Vorschläge für künftige Verbesserungen der Methode. Beide Methoden, SIRIUS und CSI:FingerID, sind als Kommandozeilenprogramm und als Benutzeroberfläche verfügbar. Die Vorhersage molekularer Fingerabdrücke ist als Webservice implementiert, der über eine Millionen Anfragen pro Monat erhält

Decomposing metabolomic isotope patterns

Böcker S, Pervukhin A, Lipták Z, Letzel M. Decomposing metabolomic isotope patterns. In: Bücher P, ed. Proc. WABI. Lecture notes in computer science ; 4175 : Lecture notes in bioinformatics. Vol 4175. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg; 2006: 12-23