The Parallelism Motifs of Genomic Data Analysis

Genomic data sets are growing dramatically as the cost of sequencing continues to decline and small sequencing devices become available. Enormous community databases store and share this data with the research community, but some of these genomic data analysis problems require large scale computational platforms to meet both the memory and computational requirements. These applications differ from scientific simulations that dominate the workload on high end parallel systems today and place different requirements on programming support, software libraries, and parallel architectural design. For example, they involve irregular communication patterns such as asynchronous updates to shared data structures. We consider several problems in high performance genomics analysis, including alignment, profiling, clustering, and assembly for both single genomes and metagenomes. We identify some of the common computational patterns or motifs that help inform parallelization strategies and compare our motifs to some of the established lists, arguing that at least two key patterns, sorting and hashing, are missing

A Reference-Free Lossless Compression Algorithm for DNA Sequences Using a Competitive Prediction of Two Classes of Weighted Models

The development of efficient data compressors for DNA sequences is crucial not only for reducing the storage and the bandwidth for transmission, but also for analysis purposes. In particular, the development of improved compression models directly influences the outcome of anthropological and biomedical compression-based methods. In this paper, we describe a new lossless compressor with improved compression capabilities for DNA sequences representing different domains and kingdoms. The reference-free method uses a competitive prediction model to estimate, for each symbol, the best class of models to be used before applying arithmetic encoding. There are two classes of models: weighted context models (including substitutional tolerant context models) and weighted stochastic repeat models. Both classes of models use specific sub-programs to handle inverted repeats efficiently. The results show that the proposed method attains a higher compression ratio than state-of-the-art approaches, on a balanced and diverse benchmark, using a competitive level of computational resources. An efficient implementation of the method is publicly available, under the GPLv3 license.Peer reviewe

Compressão eficiente de sequências biológicas usando uma rede neuronal

Background: The increasing production of genomic data has led to an intensified need for models that can cope efficiently with the lossless compression of biosequences. Important applications include long-term storage and compression-based data analysis. In the literature, only a few recent articles propose the use of neural networks for biosequence compression. However, they fall short when compared with specific DNA compression tools, such as GeCo2. This limitation is due to the absence of models specifically designed for DNA sequences. In this work, we combine the power of neural networks with specific DNA and amino acids models. For this purpose, we created GeCo3 and AC2, two new biosequence compressors. Both use a neural network for mixing the opinions of multiple specific models. Findings: We benchmark GeCo3 as a reference-free DNA compressor in five datasets, including a balanced and comprehensive dataset of DNA sequences, the Y-chromosome and human mitogenome, two compilations of archaeal and virus genomes, four whole genomes, and two collections of FASTQ data of a human virome and ancient DNA. GeCo3 achieves a solid improvement in compression over the previous version (GeCo2) of 2:4%, 7:1%, 6:1%, 5:8%, and 6:0%, respectively. As a reference-based DNA compressor, we benchmark GeCo3 in four datasets constituted by the pairwise compression of the chromosomes of the genomes of several primates. GeCo3 improves the compression in 12:4%, 11:7%, 10:8% and 10:1% over the state-of-the-art. The cost of this compression improvement is some additional computational time (1:7_ to 3:0_ slower than GeCo2). The RAM is constant, and the tool scales efficiently, independently from the sequence size. Overall, these values outperform the state-of-the-art. For AC2 the improvements and costs over AC are similar, which allows the tool to also outperform the state-of-the-art. Conclusions: The GeCo3 and AC2 are biosequence compressors with a neural network mixing approach, that provides additional gains over top specific biocompressors. The proposed mixing method is portable, requiring only the probabilities of the models as inputs, providing easy adaptation to other data compressors or compression-based data analysis tools. GeCo3 and AC2 are released under GPLv3 and are available for free download at https://github.com/cobilab/geco3 and https://github.com/cobilab/ac2.Contexto: O aumento da produção de dados genómicos levou a uma maior necessidade de modelos que possam lidar de forma eficiente com a compressão sem perdas de biosequências. Aplicações importantes incluem armazenamento de longo prazo e análise de dados baseada em compressão. Na literatura, apenas alguns artigos recentes propõem o uso de uma rede neuronal para compressão de biosequências. No entanto, os resultados ficam aquém quando comparados com ferramentas de compressão de ADN específicas, como o GeCo2. Essa limitação deve-se à ausência de modelos específicos para sequências de ADN. Neste trabalho, combinamos o poder de uma rede neuronal com modelos específicos de ADN e aminoácidos. Para isso, criámos o GeCo3 e o AC2, dois novos compressores de biosequências. Ambos usam uma rede neuronal para combinar as opiniões de vários modelos específicos. Resultados: Comparamos o GeCo3 como um compressor de ADN sem referência em cinco conjuntos de dados, incluindo um conjunto de dados balanceado de sequências de ADN, o cromossoma Y e o mitogenoma humano, duas compilações de genomas de arqueas e vírus, quatro genomas inteiros e duas coleções de dados FASTQ de um viroma humano e ADN antigo. O GeCo3 atinge uma melhoria sólida na compressão em relação à versão anterior (GeCo2) de 2,4%, 7,1%, 6,1%, 5,8% e 6,0%, respectivamente. Como um compressor de ADN baseado em referência, comparamos o GeCo3 em quatro conjuntos de dados constituídos pela compressão aos pares dos cromossomas dos genomas de vários primatas. O GeCo3 melhora a compressão em 12,4%, 11,7%, 10,8% e 10,1% em relação ao estado da arte. O custo desta melhoria de compressão é algum tempo computacional adicional (1,7 _ a 3,0 _ mais lento do que GeCo2). A RAM é constante e a ferramenta escala de forma eficiente, independentemente do tamanho da sequência. De forma geral, os rácios de compressão superam o estado da arte. Para o AC2, as melhorias e custos em relação ao AC são semelhantes, o que permite que a ferramenta também supere o estado da arte. Conclusões: O GeCo3 e o AC2 são compressores de sequências biológicas com uma abordagem de mistura baseada numa rede neuronal, que fornece ganhos adicionais em relação aos biocompressores específicos de topo. O método de mistura proposto é portátil, exigindo apenas as probabilidades dos modelos como entradas, proporcionando uma fácil adaptação a outros compressores de dados ou ferramentas de análise baseadas em compressão. O GeCo3 e o AC2 são distribuídos sob GPLv3 e estão disponíveis para download gratuito em https://github.com/ cobilab/geco3 e https://github.com/cobilab/ac2.Mestrado em Engenharia de Computadores e Telemátic

Reconstrução e classificação de sequências de ADN desconhecidas

The continuous advances in DNA sequencing technologies and techniques in metagenomics require reliable reconstruction and accurate classification methodologies for the diversity increase of the natural repository while contributing to the organisms' description and organization. However, after sequencing and de-novo assembly, one of the highest complex challenges comes from the DNA sequences that do not match or resemble any biological sequence from the literature. Three main reasons contribute to this exception: the organism sequence presents high divergence according to the known organisms from the literature, an irregularity has been created in the reconstruction process, or a new organism has been sequenced. The inability to efficiently classify these unknown sequences increases the sample constitution's uncertainty and becomes a wasted opportunity to discover new species since they are often discarded. In this context, the main objective of this thesis is the development and validation of a tool that provides an efficient computational solution to solve these three challenges based on an ensemble of experts, namely compression-based predictors, the distribution of sequence content, and normalized sequence lengths. The method uses both DNA and amino acid sequences and provides efficient classification beyond standard referential comparisons. Unusually, it classifies DNA sequences without resorting directly to the reference genomes but rather to features that the species biological sequences share. Specifically, it only makes use of features extracted individually from each genome without using sequence comparisons. RFSC was then created as a machine learning classification pipeline that relies on an ensemble of experts to provide efficient classification in metagenomic contexts. This pipeline was tested in synthetic and real data, both achieving precise and accurate results that, at the time of the development of this thesis, have not been reported in the state-of-the-art. Specifically, it has achieved an accuracy of approximately 97% in the domain/type classification.Os contínuos avanços em tecnologias de sequenciação de ADN e técnicas em meta genómica requerem metodologias de reconstrução confiáveis e de classificação precisas para o aumento da diversidade do repositório natural, contribuindo, entretanto, para a descrição e organização dos organismos. No entanto, após a sequenciação e a montagem de-novo, um dos desafios mais complexos advém das sequências de ADN que não correspondem ou se assemelham a qualquer sequencia biológica da literatura. São três as principais razões que contribuem para essa exceção: uma irregularidade emergiu no processo de reconstrução, a sequência do organismo é altamente dissimilar dos organismos da literatura, ou um novo e diferente organismo foi reconstruído. A incapacidade de classificar com eficiência essas sequências desconhecidas aumenta a incerteza da constituição da amostra e desperdiça a oportunidade de descobrir novas espécies, uma vez que muitas vezes são descartadas. Neste contexto, o principal objetivo desta tese é fornecer uma solução computacional eficiente para resolver este desafio com base em um conjunto de especialistas, nomeadamente preditores baseados em compressão, a distribuição de conteúdo de sequência e comprimentos de sequência normalizados. O método usa sequências de ADN e de aminoácidos e fornece classificação eficiente além das comparações referenciais padrão. Excecionalmente, ele classifica as sequências de ADN sem recorrer diretamente a genomas de referência, mas sim às características que as sequências biológicas da espécie compartilham. Especificamente, ele usa apenas recursos extraídos individualmente de cada genoma sem usar comparações de sequência. Além disso, o pipeline é totalmente automático e permite a reconstrução sem referência de genomas a partir de reads FASTQ com a garantia adicional de armazenamento seguro de informações sensíveis. O RFSC é então um pipeline de classificação de aprendizagem automática que se baseia em um conjunto de especialistas para fornecer classificação eficiente em contextos meta genómicos. Este pipeline foi aplicado em dados sintéticos e reais, alcançando em ambos resultados precisos e exatos que, no momento do desenvolvimento desta dissertação, não foram relatados na literatura. Especificamente, esta ferramenta desenvolvida, alcançou uma precisão de aproximadamente 97% na classificação de domínio/tipo.Mestrado em Engenharia de Computadores e Telemátic

Machine Learning and Integrative Analysis of Biomedical Big Data.

Recent developments in high-throughput technologies have accelerated the accumulation of massive amounts of omics data from multiple sources: genome, epigenome, transcriptome, proteome, metabolome, etc. Traditionally, data from each source (e.g., genome) is analyzed in isolation using statistical and machine learning (ML) methods. Integrative analysis of multi-omics and clinical data is key to new biomedical discoveries and advancements in precision medicine. However, data integration poses new computational challenges as well as exacerbates the ones associated with single-omics studies. Specialized computational approaches are required to effectively and efficiently perform integrative analysis of biomedical data acquired from diverse modalities. In this review, we discuss state-of-the-art ML-based approaches for tackling five specific computational challenges associated with integrative analysis: curse of dimensionality, data heterogeneity, missing data, class imbalance and scalability issues

Data compression for sequencing data

Post-Sanger sequencing methods produce tons of data, and there is a general agreement that the challenge to store and process them must be addressed with data compression. In this review we first answer the question “why compression” in a quantitative manner. Then we also answer the questions “what” and “how”, by sketching the fundamental compression ideas, describing the main sequencing data types and formats, and comparing the specialized compression algorithms and tools. Finally, we go back to the question “why compression” and give other, perhaps surprising answers, demonstrating the pervasiveness of data compression techniques in computational biology