Generalized Totalizer Encoding for Pseudo-Boolean Constraints

Pseudo-Boolean constraints, also known as 0-1 Integer Linear Constraints, are used to model many real-world problems. A common approach to solve these constraints is to encode them into a SAT formula. The runtime of the SAT solver on such formula is sensitive to the manner in which the given pseudo-Boolean constraints are encoded. In this paper, we propose generalized Totalizer encoding (GTE), which is an arc-consistency preserving extension of the Totalizer encoding to pseudo-Boolean constraints. Unlike some other encodings, the number of auxiliary variables required for GTE does not depend on the magnitudes of the coefficients. Instead, it depends on the number of distinct combinations of these coefficients. We show the superiority of GTE with respect to other encodings when large pseudo-Boolean constraints have low number of distinct coefficients. Our experimental results also show that GTE remains competitive even when the pseudo-Boolean constraints do not have this characteristic.Comment: 10 pages, 2 figures, 2 tables. To be published in 21st International Conference on Principles and Practice of Constraint Programming 201

Finding Most Compatible Phylogenetic Trees over Multi-State Characters

Peer reviewe

Genome-scale bacterial transcriptional regulatory networks: reconstruction and integrated analysis with metabolic models

Advances in sequencing technology are resulting in the rapid emergence of large numbers of complete genome sequences. High throughput annotation and metabolic modeling of these genomes is now a reality. The high throughput reconstruction and analysis of genome-scale transcriptional regulatory networks represents the next frontier in microbial bioinformatics. The fruition of this next frontier will depend upon the integration of numerous data sources relating to mechanisms, components, and behavior of the transcriptional regulatory machinery, as well as the integration of the regulatory machinery into genome-scale cellular models. Here we review existing repositories for different types of transcriptional regulatory data, including expression data, transcription factor data, and binding site locations, and we explore how these data are being used for the reconstruction of new regulatory networks. From template network based methods to de novo reverse engineering from expression data, we discuss how regulatory networks can be reconstructed and integrated with metabolic models to improve model predictions and performance. Finally, we explore the impact these integrated models can have in simulating phenotypes, optimizing the production of compounds of interest or paving the way to a whole-cell model.J.P.F. acknowledges funding from [SFRH/BD/70824/2010] of the FCT (Portuguese Foundation for Science and Technology) PhD program. The work was supported in part by the ERDF—European Regional Development Fund through the COMPETE Programme (operational programme for competitiveness), National Funds through the FCT within projects [FCOMP-01-0124-FEDER015079] (ToMEGIM—Computational Tools for Metabolic Engineering using Genome-scale Integrated Models) and FCOMP-01-0124-FEDER009707 (HeliSysBio—molecular Systems Biology in Helicobacter pylori), the U.S. Department of Energy under contract [DE-ACO2-06CH11357] and the National Science Foundation under [0850546]

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

Finding Optimal Tree Decompositions

The task of organizing a given graph into a structure called a tree decomposition is relevant in multiple areas of computer science. In particular, many NP-hard problems can be solved in polynomial time if a suitable tree decomposition of a graph describing the problem instance is given as a part of the input. This motivates the task of finding as good tree decompositions as possible, or ideally, optimal tree decompositions. This thesis is about finding optimal tree decompositions of graphs with respect to several notions of optimality. Each of the considered notions measures the quality of a tree decomposition in the context of an application. In particular, we consider a total of seven problems that are formulated as finding optimal tree decompositions: treewidth, minimum fill-in, generalized and fractional hypertreewidth, total table size, phylogenetic character compatibility, and treelength. For each of these problems we consider the BT algorithm of Bouchitté and Todinca as the method of finding optimal tree decompositions. The BT algorithm is well-known on the theoretical side, but to our knowledge the first time it was implemented was only recently for the 2nd Parameterized Algorithms and Computational Experiments Challenge (PACE 2017). The author’s implementation of the BT algorithm took the second place in the minimum fill-in track of PACE 2017. In this thesis we review and extend the BT algorithm and our implementation. In particular, we improve the eciency of the algorithm in terms of both theory and practice. We also implement the algorithm for each of the seven problems considered, introducing a novel adaptation of the algorithm for the maximum compatibility problem of phylogenetic characters. Our implementation outperforms alternative state-of-the-art approaches in terms of numbers of test instances solved on well-known benchmarks on minimum fill-in, generalized hypertreewidth, fractional hypertreewidth, total table size, and the maximum compatibility problem of phylogenetic characters. Furthermore, to our understanding the implementation is the first exact approach for the treelength problem

Inference of Many-Taxon Phylogenies

Phylogenetic trees are tree topologies that represent the evolutionary history of a set of organisms. In this thesis, we address computational challenges related to the analysis of large-scale datasets with Maximum Likelihood based phylogenetic inference. We have approached this using different strategies: reduction of memory requirements, reduction of running time, and reduction of man-hours

Killing Two Birds with One Stone: The Concurrent Development of the Novel Alignment Free Tree Building Method, Scrawkov-Phy, and the Extensible Phyloinformatics Utility, EMU-Phy.

Many components of phylogenetic inference belong to the most computationally challenging and complex domain of problems. To further escalate the challenge, the genomics revolution has exponentially increased the amount of data available for analysis. This, combined with the foundational nature of phylogenetic analysis, has prompted the development of novel methods for managing and analyzing phylogenomic data, as well as improving or intelligently utilizing current ones. In this study, a novel alignment tree building algorithm using Quasi-Hidden Markov Models (QHMMs), Scrawkov-Phy, is introduced. Additionally, exploratory work in the design and implementation of an extensible phyloinformatics tool, EMU-Phy, is described. Lastly, features of the best-practice tools are inspected and provisionally incorporated into Scrawkov-Phy to evaluate the algorithm’s suitability for said features. This study shows that Scrawkov-Phy, as utilized through EMU-Phy, captures phylogenetic signal and reconstructs reasonable phylogenies without the need for multiple-sequence alignment or high-order statistical models. There are numerous additions to both Scrawkov-Phy and EMU-Phy which would improve their efficacy and the results of the provisional study shows that such additions are compatible