On Designing Multicore-aware Simulators for Biological Systems

The stochastic simulation of biological systems is an increasingly popular technique in bioinformatics. It often is an enlightening technique, which may however result in being computational expensive. We discuss the main opportunities to speed it up on multi-core platforms, which pose new challenges for parallelisation techniques. These opportunities are developed in two general families of solutions involving both the single simulation and a bulk of independent simulations (either replicas of derived from parameter sweep). Proposed solutions are tested on the parallelisation of the CWC simulator (Calculus of Wrapped Compartments) that is carried out according to proposed solutions by way of the FastFlow programming framework making possible fast development and efficient execution on multi-cores.Comment: 19 pages + cover pag

BioDiVinE: A Framework for Parallel Analysis of Biological Models

In this paper a novel tool BioDiVinEfor parallel analysis of biological models is presented. The tool allows analysis of biological models specified in terms of a set of chemical reactions. Chemical reactions are transformed into a system of multi-affine differential equations. BioDiVinE employs techniques for finite discrete abstraction of the continuous state space. At that level, parallel analysis algorithms based on model checking are provided. In the paper, the key tool features are described and their application is demonstrated by means of a case study

A review of modelling and verification approaches for computational biology

This paper reviews most frequently used computational modelling approaches and formal verification techniques in computational biology. The paper also compares a number of model checking tools and software suits used in analysing biological systems and biochemical networks and verifiying a wide range of biological properties

Reachability in Biochemical Dynamical Systems by Quantitative Discrete Approximation (extended abstract)

In this paper, a novel computational technique for finite discrete approximation of continuous dynamical systems suitable for a significant class of biochemical dynamical systems is introduced. The method is parameterized in order to affect the imposed level of approximation provided that with increasing parameter value the approximation converges to the original continuous system. By employing this approximation technique, we present algorithms solving the reachability problem for biochemical dynamical systems. The presented method and algorithms are evaluated on several exemplary biological models and on a real case study.Comment: In Proceedings CompMod 2011, arXiv:1109.104

On Designing Multicore-Aware Simulators for Systems Biology Endowed with OnLine Statistics

The paper arguments are on enabling methodologies for the design of a fully parallel, online, interactive tool aiming to support the bioinformatics scientists .In particular, the features of these methodologies, supported by the FastFlow parallel programming framework, are shown on a simulation tool to perform the modeling, the tuning, and the sensitivity analysis of stochastic biological models. A stochastic simulation needs thousands of independent simulation trajectories turning into big data that should be analysed by statistic and data mining tools. In the considered approach the two stages are pipelined in such a way that the simulation stage streams out the partial results of all simulation trajectories to the analysis stage that immediately produces a partial result. The simulation-analysis workflow is validated for performance and effectiveness of the online analysis in capturing biological systems behavior on a multicore platform and representative proof-of-concept biological systems. The exploited methodologies include pattern-based parallel programming and data streaming that provide key features to the software designers such as performance portability and efficient in-memory (big) data management and movement. Two paradigmatic classes of biological systems exhibiting multistable and oscillatory behavior are used as a testbed

Computational model validation using a novel multiscale multidimensional spatio-temporal meta model checking approach

This thesis was submitted for the award of Doctor of Philosophy and was awarded by Brunel University LondonComputational models of complex biological systems can provide a better understanding of how living systems function but need to be validated before they are employed for real-life (e.g. clinical) applications. One of the most frequently employed in silico approaches for validating such models is model checking. Traditional model checking approaches are limited to uniscale non-spatial computational models because they do not explicitly distinguish between different scales, and do not take properties of (emergent) spatial structures (e.g. density of multicellular population) into account. This thesis defines a novel multiscale multidimensional spatio-temporal meta model checking methodology which enables validating multiscale (spatial) computational models of biological systems relative to how both numeric (e.g. concentrations) and spatial system properties are expected to change over time and across multiple scales. The methodology has two important advantages. First it supports computational models encoded using various high-level modelling formalisms because it is defined relative to time series data and not the models used to produce them. Secondly the methodology is generic because it can be automatically reconfigured according to case study specific types of spatial structures and properties using the meta model checking approach. In addition the methodology could be employed for multiple domains of science, but we illustrate its applicability here only against biological case studies. To automate the computational model validation process, the approach was implemented in software tools, which are made freely available online. Their efficacy is illustrated against two uniscale and four multiscale quantitative computational models encoding phase variation in bacterial colonies and the chemotactic aggregation of cells, respectively the rat cardiovascular system dynamics, the uterine contractions of labour, the Xenopus laevis cell cycle and the acute inflammation of the gut and lung. This novel model checking approach will enable the efficient construction of reliable multiscale computational models of complex systems.Brunel University Londo

Formal methods applied to the analysis of phylogenies: Phylogenetic model checking

Los árboles filogenéticos son abstracciones útiles para modelar y caracterizar la evolución de un conjunto de especies o poblaciones respecto del tiempo. La proposición, verificación y generalización de hipótesis sobre un árbol filogenético inferido juegan un papel importante en el estudio y comprensión de las relaciones evolutivas. Actualmente, uno de los principales objetivos científicos es extraer o descubrir los mensajes biológicos implícitos y las propiedades estructurales subyacentes en la filogenia. Por ejemplo, la integración de información genética en una filogenia ayuda al descubrimiento de genes conservados en todo o parte del árbol, la identificación de posiciones covariantes en el ADN o la estimación de las fechas de divergencia entre especies. Consecuentemente, los árboles ayudan a comprender el mecanismo que gobierna la deriva evolutiva. Hoy en día, el amplio espectro de métodos y herramientas heterogéneas para el análisis de filogenias enturbia y dificulta su utilización, además del fuerte acoplamiento entre la especificación de propiedades y los algoritmos utilizados para su evaluación (principalmente scripts ad hoc). Este problema es el punto de arranque de esta tesis, donde se analiza como solución la posibilidad de introducir un entorno formal de verificación de hipótesis que, de manera automática y modular, estudie la veracidad de dichas propiedades definidas en un lenguaje genérico e independiente (en una lógica formal asociada) sobre uno de los múltiples softwares preparados para ello. La contribución principal de la tesis es la propuesta de un marco formal para la descripción, verificación y manipulación de relaciones causales entre especies de forma independiente del código utilizado para su valoración. Para ello, exploramos las características de las técnicas de model checking, un paradigma en el que una especificación expresada en lógica temporal se verifica con respecto a un modelo del sistema que representa una implementación a un cierto nivel de detalle. Se ha aplicado satisfactoriamente en la industria para el modelado de sistemas y su verificación, emergiendo del ámbito de las ciencias de la computación. Las contribuciones concretas de la tesis han sido: A) La identificación e interpretación de los árboles filogeneticos como modelos de la evolución, adaptados al entorno de las técnicas de model checking. B) La definición de una lógica temporal que captura las propiedades filogenéticas habituales junto con un método de construcción de propiedades. C) La clasificación de propiedades filogenéticas, identificando categorías de propiedades según estén centradas en la estructura del árbol, en las secuencias o sean híbridas. D) La extensión de las lógicas y modelos para contemplar propiedades cuantitativas de tiempo, probabilidad y de distancias. E) El desarrollo de un entorno para la verificación de propiedades booleanas, cuantitativas y paramétricas. F) El establecimiento de los principios para la manipulación simbolica de objetos filogenéticos, p. ej., clados. G) La explotación de las herramientas de model checking existentes, detectando sus problemas y carencias en el campo de filogenia y proponiendo mejoras. H) El desarrollo de técnicas "ad hoc" para obtener ganancia de complejidad alrededor de dos frentes: distribución de los cálculos y datos, y el uso de sistemas de información. Los puntos A-F se centran en las aportaciones conceptuales de nuestra aproximación, mientras que los puntos G-H enfatizan la parte de herramientas e implementación. Los contenidos de la tesis están contrastados por la comunidad científica mediante las siguientes publicaciones en conferencias y revistas internacionales. La introducción de model checking como entorno formal para analizar propiedades biológicas (puntos A-C) ha llevado a la publicación de nuestro primer artículo de congreso [1]. En [2], desarrollamos la verificación de hipótesis filogenéticas sobre un árbol de ejemplo construido a partir de las relaciones impuestas por un conjunto de proteínas codificadas por el ADN mitocondrial humano (ADNmt). En ese ejemplo, usamos una herramienta automática y genérica de model checking (punto G). El artículo de revista [7] resume lo básico de los artículos de congreso previos y extiende la aplicación de lógicas temporales a propiedades filogenéticas no consideradas hasta ahora. Los artículos citados aquí engloban los contenidos presentados en las Parte I--II de la tesis. El enorme tamaño de los árboles y la considerable cantidad de información asociada a los estados (p.ej., la cadena de ADN) obligan a la introducción de adaptaciones especiales en las herramientas de model checking para mantener un rendimiento razonable en la verificación de propiedades y aliviar también el problema de la explosión de estados (puntos G-H). El artículo de congreso [3] presenta las ventajas de rebanar el ADN asociado a los estados, la partición de la filogenia en pequeños subárboles y su distribución entre varias máquinas. Además, la idea original del model checking rebanado se complementa con la inclusión de una base de datos externa para el almacenamiento de secuencias. El artículo de revista [4] reúne las nociones introducidas en [3] junto con la implementación y resultados preliminares presentados [5]. Este tema se corresponde con lo presentado en la Parte III de la tesis. Para terminar, la tesis reaprovecha las extensiones de las lógicas temporales con tiempo explícito y probabilidades a fin de manipular e interrogar al árbol sobre información cuantitativa. El artículo de congreso [6] ejemplifica la necesidad de introducir probabilidades y tiempo discreto para el análisis filogenético de un fenotipo real, en este caso, el ratio de distribución de la intolerancia a la lactosa entre diversas poblaciones arraigadas en las hojas de la filogenia. Esto se corresponde con el Capítulo 13, que queda englobado dentro de las Partes IV--V. Las Partes IV--V completan los conceptos presentados en ese artículo de conferencia hacia otros dominios de aplicación, como la puntuación de árboles, y tiempo continuo (puntos E-F). La introducción de parámetros en las hipótesis filogenéticas se plantea como trabajo futuro. Referencias [1] Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, José Ignacio Requeno, and José Manuel Colom. Temporal logics for phylogenetic analysis via model checking. In Proceedings IEEE International Workshop on Mining and Management of Biological and Health Data, pages 152-157. IEEE, 2010. [2] José Ignacio Requeno, Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, and José Manuel Colom. Phylogenetic analysis using an SMV tool. In Miguel P. Rocha, Juan M. Corchado Rodríguez, Florentino Fdez-Riverola, and Alfonso Valencia, editors, Proceedings 5th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 93 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pages 167-174. Springer, Berlin, 2011. [3] José Ignacio Requeno, Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, and José Manuel Colom. Sliced model checking for phylogenetic analysis. In Miguel P. Rocha, Nicholas Luscombe, Florentino Fdez-Riverola, and Juan M. Corchado Rodríguez, editors, Proocedings 6th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 154 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pages 95-103. Springer, Berlin, 2012. [4] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Model checking software for phylogenetic trees using distribution and database methods. Journal of Integrative Bioinformatics, 10(3):229-233, 2013. [5] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Speeding up phylogenetic model checking. In Mohd Saberi Mohamad, Loris Nanni, Miguel P. Rocha, and Florentino Fdez-Riverola, editors, Proceedings 7th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 222 of Advances in Intelligent Systems and Computing, pages 119-126. Springer, Berlin, 2013. [6] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Timed and probabilistic model checking over phylogenetic trees. In Miguel P. Rocha et al., editors, Proceedings 8th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, Advances in Intelligent and Soft Computing. Springer, Berlin, 2014. [7] José Ignacio Requeno, Gregorio de Miguel Casado, Roberto Blanco, and José Manuel Colom. Temporal logics for phylogenetic analysis via model checking. IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10(4):1058-1070, 2013