FPGAs in Bioinformatics: Implementation and Evaluation of Common Bioinformatics Algorithms in Reconfigurable Logic

Life. Much effort is taken to grant humanity a little insight in this fascinating and complex but fundamental topic. In order to understand the relations and to derive consequences humans have begun to sequence their genomes, i.e. to determine their DNA sequences to infer information, e.g. related to genetic diseases. The process of DNA sequencing as well as subsequent analysis presents a computational challenge for recent computing systems due to the large amounts of data alone. Runtimes of more than one day for analysis of simple datasets are common, even if the process is already run on a CPU cluster. This thesis shows how this general problem in the area of bioinformatics can be tackled with reconfigurable hardware, especially FPGAs. Three compute intensive problems are highlighted: sequence alignment, SNP interaction analysis and genotype imputation. In the area of sequence alignment the software BLASTp for protein database searches is exemplarily presented, implemented and evaluated.SNP interaction analysis is presented with three applications performing an exhaustive search for interactions including the corresponding statistical tests: BOOST, iLOCi and the mutual information measurement. All applications are implemented in FPGA-hardware and evaluated, resulting in an impressive speedup of more than in three orders of magnitude when compared to standard computers. The last topic of genotype imputation presents a two-step process composed of the phasing step and the actual imputation step. The focus lies on the phasing step which is targeted by the SHAPEIT2 application. SHAPEIT2 is discussed with its underlying mathematical methods in detail, and finally implemented and evaluated. A remarkable speedup of 46 is reached here as well

Comparative genomics of recent adaptation in Candida pathogens

[eng] Fungal infections pose a serious health threat, affecting >1,000 million people and causing ~1.5 million deaths each year. The problem is growing due to insufficient diagnostic and therapeutic options, increased number of susceptible patients, expansion of pathogens partly linked to climate change and the rise of antifungal drug resistance. Among other fungal pathogens, Candida species are a major cause of severe hospital-acquired infections, with high mortality in immunocompromised patients. Various Candida pathogens constitute a public health issue, which require further efforts to develop new drugs, optimize currently available treatments and improve diagnostics. Given the high dynamism of Candida genomes, a promising strategy to improve current therapies and diagnostics is to understand the evolutionary mechanisms of adaptation to antifungal drugs and to the human host. Previous work using in vitro evolution, population genomics, selection inferences and Genome Wide Association Studies (GWAS) have partially clarified such recent adaptation, but various open questions remain. In the three research articles that conform this PhD thesis we addressed some of these gaps from the perspective of comparative genomics. First, we addressed methodological issues regarding the analysis of Candida genomes. Studying recent adaptation in these pathogens requires adequate bioinformatic tools for variant calling, filtering and functional annotation. Among other reasons, current methods are suboptimal due to limited accuracy to identify structural variants from short read sequencing data. In addition, there is a need for easy-to-use, reproducible variant calling pipelines. To address these gaps we developed the “personalized Structural Variation detection” pipeline (perSVade), a framework to call, filter and annotate several variant types, including structural variants, directly from reads. PerSVade enables accurate identification of structural variants in any species of interest, such as Candida pathogens. In addition, our tool automatically predicts the structural variant calling accuracy on simulated genomes, which informs about the reliability of the calling process. Furthermore, perSVade can be used to analyze single nucleotide polymorphisms and copy number-variants, so that it facilitates multi-variant, reproducible genomic studies. This tool will likely boost variant analyses in Candida pathogens and beyond. Second, we addressed open questions about recent adaptation in Candida, using perSVade for variant identification. On the one hand, we investigated the evolutionary mechanisms of drug resistance in Candida glabrata. For this, we used a large-scale in vitro evolution experiment to study adaptation to two commonly-used antifungals: fluconazole and anidulafungin. Our results show rapid adaptation to one or both drugs, with moderate fitness costs and through few mutations in a narrow set of genes. In addition, we characterize a novel role of ERG3 mutations in cross-resistance towards fluconazole in anidulafungin-adapted strains. These findings illuminate the mutational paths leading to drug resistance and cross-resistance in Candida pathogens. On the other hand, we reanalyzed ~2,000 public genomes and phenotypes to understand the signs of recent selection and drug resistance in six major Candida species: C. auris, C. glabrata, C. albicans, C. tropicalis, C. parapsilosis and C. orthopsilosis. We found hundreds of genes under recent selection, suggesting that clinical adaptation is diverse and complex. These involve species-specific but also convergently affected processes, such as cell adhesion, which could underlie conserved adaptive mechanisms. In addition, using GWAS we predicted known drivers of antifungal resistance alongside potentially novel players. Furthermore, our analyses reveal an important role of generally-overlooked structural variants, and suggest an unexpected involvement of (para)sexual recombination in the spread of resistance. Taken together, our findings provide novel insights on how Candida pathogens adapt to human-related environments and suggest candidate genes that deserve future attention. In summary, the results of this thesis improve our knowledge about the mechanisms of recent adaptation in Candida pathogens, which may enable improved therapeutic and diagnostic applications.[cat] Les infeccions fúngiques representen una greu amenaça per a la salut, afectant a més de 1.000 milions de persones i causant aproximadament 1,5 milions de morts cada any. El problema està augmentant a causa d’unes opcions terapèutiques i diagnòstiques insuficients, l'increment del nombre de pacients susceptibles, l'expansió dels patògens parcialment vinculada al canvi climàtic i l'augment de la resistència als fàrmacs antifúngics. D’entre diversos fongs patògens, els llevats del gènere Candida són una causa important d'infeccions nosocomials, amb una alta mortalitat en pacients immunodeprimits. Diverses espècies de Candida constitueixen un problema de salut pública, cosa que requereix més esforços per a desenvolupar nous medicaments, optimitzar els tractaments disponibles i millorar els diagnòstics. Tenint en compte el dinamisme genòmic d’aquests patògens, una estratègia prometedora per millorar les teràpies i diagnòstics actuals és comprendre els mecanismes evolutius d'adaptació als fàrmacs antifúngics i a l’hoste humà. Treballs anteriors utilitzant l'evolució in vitro, la genòmica de poblacions, les inferències de selecció i els estudis d'associació de genoma complet (GWAS, per les sigles en anglès) han aclarit parcialment aquesta adaptació recent, però encara hi ha diverses preguntes obertes. En els tres articles que conformen aquesta tesi doctoral, hem abordat algunes d'aquestes preguntes des de la perspectiva de la genòmica comparativa. En primer lloc, hem abordat qüestions metodològiques relatives a l'anàlisi dels genomes de les espècies Candida. L'estudi de l'adaptació recent en aquests patògens requereix eines bioinformàtiques adequades per a la detecció, filtratge i anotació funcional de variants genètiques. Entre altres raons, els mètodes actuals són subòptims a causa de la limitada precisió per identificar variants estructurals a partir de dades de seqüenciació amb lectures curtes. A més, hi ha una necessitat d’eines computacionals per a la detecció de variants que siguin senzilles d'utilitzar i reproduibles. Per abordar aquestes mancances, hem desenvolupat el mètode bioinformàtic "personalized Structural Variation detection" (perSVade), una eina que permet la detecció, filtratge i anotació de diversos tipus de variants, incloent-hi les variants estructurals, directament des de les lectures. PerSVade permet la identificació precisa de les variants estructurals en qualsevol espècie d'interès, com ara els patògens Candida. A més, la nostra eina prediu automàticament la precisió de la detecció d’aquestes variants en genomes simulats, la qual cosa informa sobre la fiabilitat del procés. Finalment, perSVade es pot utilitzar per analitzar altres tipus de variants, com els polimorfismes de nucleòtid únic o els canvis en el nombre de còpies, facilitant així estudis genòmics integrals i reproduibles. Aquesta eina probablement impulsarà les anàlisis genòmiques en els patògens Candida i també en altres espècies. En segon lloc, hem abordat algunes de les preguntes obertes sobre l'adaptació recent en els llevats Candida, utilitzant perSVade per a la identificació de variants. D'una banda, hem investigat els mecanismes evolutius de resistència als fàrmacs antifúngics en Candida glabrata. Per a això, hem utilitzat un experiment d'evolució in vitro a gran escala per estudiar l'adaptació a dos antifúngics comuns: el fluconazol i l’anidulafungina. Els nostres resultats mostren una adaptació ràpida a un o ambdós fàrmacs, amb un cost per al creixement moderat i a través de poques mutacions en un nombre reduït de gens. A més, hem caracteritzat un paper nou de les mutacions en ERG3 en la resistència creuada al fluconazol en soques adaptades a anidulafungina. Aquests descobriments aclareixen els processos mutacionals que condueixen a la resistència als fàrmacs i a la resistència creuada en els patògens Candida. D'altra banda, hem re-analitzat aproximadament 2.000 genomes i fenotips disponibles en repositoris públics per a comprendre els senyals genòmics de selecció recent i de resistència a fàrmacs antifúngics, en sis espècies rellevants de Candida: C. auris, C. glabrata, C. albicans, C. tropicalis, C. parapsilosis i C. orthopsilosis. Hem trobat centenars de gens sota selecció recent, suggerint que l'adaptació clínica és diversa i complexa. Aquests gens estan relacionats amb funcions específiques de cada espècie, però també trobem processos alterats de manera similar en diferents patògens, com per exemple l’adhesió cel·lular, cosa que indica fenòmens d’adaptació conservats. A part, utilitzant GWAS hem predit mecanismes esperats de resistència a antifúngics i també possibles nous factors. A més, les nostres anàlisis revelen un paper important de les variants estructurals, generalment poc estudiades, i suggereixen una implicació inesperada de la recombinació (para)sexual en la propagació de la resistència. En conjunt, els nostres descobriments proporcionen noves perspectives sobre com els patògens Candida s'adapten als entorns humans, i suggereixen gens candidats que mereixen investigacions futures. En resum, els resultats d’aquesta tesi milloren el nostre coneixement sobre els mecanismes d'adaptació recent en els patògens Candida, cosa que pot permetre el disseny de noves teràpies i diagnòstics

FPGAs in der Bioinformatik: Implementierung und Evaluierung bekannter bioinformatischer Algorithmen in rekonfigurierbarer Logik

Life. Much effort is taken to grant humanity a little insight in this fascinating and complex but fundamental topic. In order to understand the relations and to derive consequences humans have begun to sequence their genomes, i.e. to determine their DNA sequences to infer information, e.g. related to genetic diseases. The process of DNA sequencing as well as subsequent analysis presents a computational challenge for recent computing systems due to the large amounts of data alone. Runtimes of more than one day for analysis of simple datasets are common, even if the process is already run on a CPU cluster. This thesis shows how this general problem in the area of bioinformatics can be tackled with reconfigurable hardware, especially FPGAs. Three compute intensive problems are highlighted: sequence alignment, SNP interaction analysis and genotype imputation. In the area of sequence alignment the software BLASTp for protein database searches is exemplarily presented, implemented and evaluated. SNP interaction analysis is presented with three applications performing an exhaustive search for interactions including the corresponding statistical tests: BOOST, iLOCi and the mutual information measurement. All applications are implemented in FPGA-hardware and evaluated, resulting in an impressive speedup of more than in three orders of magnitude when compared to standard computers. The last topic of genotype imputation presents a two-step process composed of the phasing step and the actual imputation step. The focus lies on the phasing step which is targeted by the SHAPEIT2 application. SHAPEIT2 is discussed with its underlying mathematical methods in detail, and finally implemented and evaluated. A remarkable speedup of 46 is reached here as well.Das Leben. Sehr viel Aufwand wird getrieben um der Menschheit einen Einblick in dieses faszinierende und komplexe, aber fundamentale Thema zu erlauben. Um Zusammenhänge zu verstehen und Folgen ableiten zu können hat der Mensch begonnen sein Genom zu sequenzieren, d.h. seine DNA zu bestimmen um daraus Informationen, z.B. in Bezug auf Erbkrankheiten folgern zu können. Der Prozess der DNA-Sequenzierung sowie die darauffolgenden Analysen sind schon allein wegen der riesigen Datenmengen eine Herausforderung für aktuelle Rechensysteme. Laufzeiten von über einen Tag für die Analyse einfacher Datensätze sind üblich, selbst wenn der Prozess bereits auf einem Computercluster ausgeführt wird. Diese Arbeit zeigt, wie dieses gängige Problem im Bereich der Bioinformatik mit rekonfigurierbarer Hardware, speziell FPGAs, angegangen werden kann. Es werden drei rechenintensive Themengebiete hervorgehoben: Sequenzalignment, SNP-Interaktionsanalyse und Genotyp-Imputation. Beispielhaft wird im Bereich des Sequenzalignments die Software BLASTp für die Suche in Proteinsequenzdatenbanken vorgestellt, implementiert und evaluiert. Die SNP-Interaktionsanalyse wird mit drei Verfahren zur vollständigen Suche von Interaktionen inklusive des dazugehörigen statistischen Tests vorgestellt: BOOST, iLOCi und die Messung der Transinformation. Alle Verfahren werden auf FPGA-Hardware implementiert und evaluiert, mit einer bestechenden Beschleunigung im dreistelligen Bereich gegenüber Standard-Rechnern. Das letzte Gebiet der Genotyp-Imputierung ist ein zweiteiliges Verfahren bestehend aus dem Phasing und der eigentlichen Imputation. Der Schwerpunkt liegt im Phasing-Schritt, der mit dem SHAPEIT2-Tool adressiert wird. SHAPEIT2 wird ausführlich mit den zugrunde liegenden mathematischen Methoden diskutiert, und schließlich implementiert und evaluiert. Auch hier wird ein beachtlicher Speedup von 46 erreicht

Discovering Higher-order SNP Interactions in High-dimensional Genomic Data

In this thesis, a multifactor dimensionality reduction based method on associative classification is employed to identify higher-order SNP interactions for enhancing the understanding of the genetic architecture of complex diseases. Further, this thesis explored the application of deep learning techniques by providing new clues into the interaction analysis. The performance of the deep learning method is maximized by unifying deep neural networks with a random forest for achieving reliable interactions in the presence of noise

Aerial Vehicles

This book contains 35 chapters written by experts in developing techniques for making aerial vehicles more intelligent, more reliable, more flexible in use, and safer in operation.It will also serve as an inspiration for further improvement of the design and application of aeral vehicles. The advanced techniques and research described here may also be applicable to other high-tech areas such as robotics, avionics, vetronics, and space