amsrpm: Robust Point Matching for Retention Time Aligment of LC/MS Data with R

Proteomics is the study of the abundance, function and dynamics of all proteins present in a living organism, and mass spectrometry (MS) has become its most important tool due to its unmatched sensitivity, resolution and potential for high-throughput experimentation. A frequently used variant of mass spectrometry is coupled with liquid chromatography (LC) and is denoted as "LC/MS". It produces two-dimensional raw data, where significant distortions along one of the dimensions can occur between different runs on the same instrument, and between instruments. A compensation of these distortions is required to allow for comparisons between and inference based on different experiments. This article introduces the amsrpm software package. It implements a variant of the Robust Point Matching (RPM) algorithm that is tailored for the alignment of LC and LC/MS experiments. Problem-specific enhancements include a specialized dissimilarity measure, and means to enforce smoothness and monotonicity of the estimated transformation function. The algorithm does not rely on pre-specified landmarks, it is insensitive towards outliers and capable of modeling nonlinear distortions. Its usefulness is demonstrated using both simulated and experimental data. The software is available as an open source package for the statistical programming language R.

DATA ANALYSIS WORKFLOW FOR GAS CHROMATOGRAPHY MASS SPECTROMETRY-BASED METABOLOMICS STUDIES

Metabolomics has emerged as an integral part of systems biology research that attempts to comprehensively study low molecular weight organic and inorganic metabolites under certain conditions within a biological system. Technological advances in the past decade have made it possible to carry out metabolomics studies in a high- throughput fashion using gas chromatography coupled with mass spectrometry. As a result, large volumes of data are produced from these studies and there is a pressing need for algorithms that can efficiently process and analyze the data in a high-throughput fashion as well. To address this need, we have developed computational algorithms and the associated software tool named an Automated Data Analysis Pipeline (ADAP). ADAP allows data to flow seamlessly through the data processing steps that include de- nosing, peak detection, deconvolution, alignment, compound identification and quantitation. The development of ADAP started in 2009 and the past four years have witnessed continuous improvements in its performance from ADAP-GC 1.0, to ADAP- GC 2.0, and to the current ADAP-GC 3.0. As part of the performance assessment of ADAP-GC, we have compared it with three other software tools. In this dissertation, I will present the computational details about these three versions of ADAP-GC, the capabilities of the software tool, and the results from software comparison

Automated mass spectrometry-based metabolomics data processing by blind source separation methods

Una de les principals limitacions de la metabolòmica és la transformació de dades crues en informació biològica. A més, la metabolòmica basada en espectrometria de masses genera grans quantitats de dades complexes caracteritzades per la co-elució de compostos i artefactes experimentals. L'objectiu d'aquesta tesi és desenvolupar estratègies automatitzades basades en deconvolució cega del senyal per millorar les capacitats dels mètodes existents que tracten les limitacions de les diferents passes del processament de dades en metabolòmica. L'objectiu d'aquesta tesi és també desenvolupar eines capaces d'executar el flux de treball del processament de dades en metabolòmica, que inclou el preprocessament de dades, deconvolució espectral, alineament i identificació. Com a resultat, tres nous mètodes automàtics per deconvolució espectral basats en deconvolució cega del senyal van ser desenvolupats. Aquests mètodes van ser inclosos en dues eines computacionals que permeten convertir automàticament dades crues en informació biològica interpretable i per tant, permeten resoldre hipòtesis biològiques i adquirir nous coneixements biològics.Una de les principals limitacions de la metabolòmica és la transformació de dades crues en informació biològica. A més, la metabolòmica basada en espectrometria de masses genera grans quantitats de dades complexes caracteritzades per la co-elució de compostos i artefactes experimentals. L'objectiu d'aquesta tesi és desenvolupar estratègies automatitzades basades en deconvolució cega del senyal per millorar les capacitats dels mètodes existents que tracten les limitacions de les diferents passes del processament de dades en metabolòmica. L'objectiu d'aquesta tesi és també desenvolupar eines capaces d'executar el flux de treball del processament de dades en metabolòmica, que inclou el preprocessament de dades, deconvolució espectral, alineament i identificació. Com a resultat, tres nous mètodes automàtics per deconvolució espectral basats en deconvolució cega del senyal van ser desenvolupats. Aquests mètodes van ser inclosos en dues eines computacionals que permeten convertir automàticament dades crues en informació biològica interpretable i per tant, permeten resoldre hipòtesis biològiques i adquirir nous coneixements biològics.Una de las principales limitaciones de la metabolómica es la transformación de datos crudos en información biológica. Además, la metabolómica basada en espectrometría de masas genera grandes cantidades de datos complejos caracterizados por la co-elución de compuestos y artefactos experimentales. El objetivo de esta tesis es desarrollar estrategias automatizadas basadas en deconvolución ciega de la señal para mejorar las capacidades de los métodos existentes que tratan las limitaciones de los diferentes pasos del procesamiento de datos en metabolómica. El objetivo de esta tesis es también desarrollar herramientas capaces de ejecutar el flujo de trabajo del procesamiento de datos en metabolómica, que incluye el preprocessamiento de datos, deconvolución espectral, alineamiento e identificación. Como resultado, tres nuevos métodos automáticos para deconvolución espectral basados en deconvolución ciega de la señal fueron desarrollados. Estos métodos fueron incluidos en dos herramientas computacionales que permiten convertir automáticamente datos crudos en información biológica interpretable y por lo tanto, permiten resolver hipótesis biológicas y adquirir nuevos conocimientos biológicos.One of the major bottlenecks in metabolomics is to convert raw data samples into biological interpretable information. Moreover, mass spectrometry-based metabolomics generates large and complex datasets characterized by co-eluting compounds and with experimental artifacts. This thesis main objective is to develop automated strategies based on blind source separation to improve the capabilities of the current methods that tackle the different metabolomics data processing workflow steps limitations. Also, the objective of this thesis is to develop tools capable of performing the entire metabolomics workflow for GC--MS, including pre-processing, spectral deconvolution, alignment and identification. As a result, three new automated methods for spectral deconvolution based on blind source separation were developed. These methods were embedded into two computation tools able to automatedly convert raw data into biological interpretable information and thus, allow resolving biological answers and discovering new biological insights