Constructing level-2 phylogenetic networks from triplets

Jansson and Sung showed that, given a dense set of input triplets T (representing hypotheses about the local evolutionary relationships of triplets of species), it is possible to determine in polynomial time whether there exists a level-1 network consistent with T, and if so to construct such a network. They also showed that, unlike in the case of trees (i.e. level-0 networks), the problem becomes NP-hard when the input is non-dense. Here we further extend this work by showing that, when the set of input triplets is dense, the problem is even polynomial-time solvable for the construction of level-2 networks. This shows that, assuming density, it is tractable to construct plausible evolutionary histories from input triplets even when such histories are heavily non-tree like. This further strengthens the case for the use of triplet-based methods in the construction of phylogenetic networks. We also show that, in the non-dense case, the level-2 problem remains NP-hard

Festparameter-Algorithmen fuer die Konsens-Analyse Genomischer Daten

Fixed-parameter algorithms offer a constructive and powerful approach to efficiently obtain solutions for NP-hard problems combining two important goals: Fixed-parameter algorithms compute optimal solutions within provable time bounds despite the (almost inevitable) computational intractability of NP-hard problems. The essential idea is to identify one or more aspects of the input to a problem as the parameters, and to confine the combinatorial explosion of computational difficulty to a function of the parameters such that the costs are polynomial in the non-parameterized part of the input. This makes especially sense for parameters which have small values in applications. Fixed-parameter algorithms have become an established algorithmic tool in a variety of application areas, among them computational biology where small values for problem parameters are often observed. A number of design techniques for fixed-parameter algorithms have been proposed and bounded search trees are one of them. In computational biology, however, examples of bounded search tree algorithms have been, so far, rare. This thesis investigates the use of bounded search tree algorithms for consensus problems in the analysis of DNA and RNA data. More precisely, we investigate consensus problems in the contexts of sequence analysis, of quartet methods for phylogenetic reconstruction, of gene order analysis, and of RNA secondary structure comparison. In all cases, we present new efficient algorithms that incorporate the bounded search tree paradigm in novel ways. On our way, we also obtain results of parameterized hardness, showing that the respective problems are unlikely to allow for a fixed-parameter algorithm, and we introduce integer linear programs (ILP's) as a tool for classifying problems as fixed-parameter tractable, i.e., as having fixed-parameter algorithms. Most of our algorithms were implemented and tested on practical data.Festparameter-Algorithmen bieten einen konstruktiven Ansatz zur Loesung von kombinatorisch schwierigen, in der Regel NP-harten Problemen, der zwei Ziele beruecksichtigt: innerhalb von beweisbaren Laufzeitschranken werden optimale Ergebnisse berechnet. Die entscheidende Idee ist dabei, einen oder mehrere Aspekte der Problemeingabe als Parameter der Problems aufzufassen und die kombinatorische Explosion der algorithmischen Schwierigkeit auf diese Parameter zu beschraenken, so dass die Laufzeitkosten polynomiell in Bezug auf den nicht-parametrisierten Teil der Eingabe sind. Gibt es einen Festparameter-Algorithmus fuer ein kombinatorisches Problem, nennt man das Problem festparameter-handhabbar. Die Entwicklung von Festparameter-Algorithmen macht vor allem dann Sinn, wenn die betrachteten Parameter im Anwendungsfall nur kleine Werte annehmen. Festparameter-Algorithmen sind zu einem algorithmischen Standardwerkzeug in vielen Anwendungsbereichen geworden, unter anderem in der algorithmischen Biologie, wo in vielen Anwendungen kleine Parameterwerte beobachtet werden koennen. Zu den bekannten Techniken fuer den Entwurf von Festparameter-Algorithmen gehoeren unter anderem groessenbeschraenkte Suchbaeume. In der algorithmischen Biologie gibt es bislang nur wenige Beispiele fuer die Anwendung von groessenbeschraenkten Suchbaeumen. Diese Arbeit untersucht den Einsatz groessenbeschraenkter Suchbaeume fuer NP-harte Konsens-Probleme in der Analyse von DNS- und RNS-Daten. Wir betrachten Konsens-Probleme in der Analyse von DNS-Sequenzdaten, in der Analyse von sogenannten Quartettdaten zur Erstellung von phylogenetischen Hypothesen, in der Analyse von Daten ueber die Anordnung von Genen und beim Vergleich von RNS-Strukturdaten. In allen Faellen stellen wir neue effiziente Algorithmen vor, in denen das Paradigma der groessenbeschraenkten Suchbaeume auf neuartige Weise realisiert wird. Auf diesem Weg zeigen wir auch Ergebnisse parametrisierter Haerte, die zeigen, dass fuer die dabei betrachteten Probleme ein Festparameter-Algorithmus unwahrscheinlich ist. Ausserdem fuehren wir ganzzahliges lineares Programmieren als eine neue Technik ein, um die Festparameter-Handhabbarkeit eines Problems zu zeigen. Die Mehrzahl der hier vorgestellten Algorithmen wurde implementiert und auf Anwendungsdaten getestet

The development and application of metaheuristics for problems in graph theory: A computational study

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.It is known that graph theoretic models have extensive application to real-life discrete optimization problems. Many of these models are NP-hard and, as a result, exact methods may be impractical for large scale problem instances. Consequently, there is a great interest in developing e±cient approximate methods that yield near-optimal solutions in acceptable computational times. A class of such methods, known as metaheuristics, have been proposed with success. This thesis considers some recently proposed NP-hard combinatorial optimization problems formulated on graphs. In particular, the min- imum labelling spanning tree problem, the minimum labelling Steiner tree problem, and the minimum quartet tree cost problem, are inves- tigated. Several metaheuristics are proposed for each problem, from classical approximation algorithms to novel approaches. A compre- hensive computational investigation in which the proposed methods are compared with other algorithms recommended in the literature is reported. The results show that the proposed metaheuristics outper- form the algorithms recommended in the literature, obtaining optimal or near-optimal solutions in short computational running times. In addition, a thorough analysis of the implementation of these methods provide insights for the implementation of metaheuristic strategies for other graph theoretic problems

Engineering SAT Applications

Das Erfüllbarkeitsproblem der Aussagenlogik (SAT) ist nicht nur in der theoretischen Informatik ein grundlegendes Problem, da alle NP-vollständigen Probleme auf SAT zurückgeführt werden können. Durch die Entwicklung von sehr effizienten SAT Lösern sind in den vergangenen 15 Jahren auch eine Vielzahl von praktischen Anwendungsmöglichkeiten entwickelt worden. Zu den bekanntesten gehört die Verifikation von Hardware- und Software-Bausteinen. Bei der Berechnung von unerfüllbaren SAT-Problemen sind Entwickler und Anwender oftmals an einer Erklärung für die Unerfüllbarkeit interessiert. Eine Möglichkeit diese zu ermitteln ist die Berechnung von minimal unerfüllbaren Teilformeln. Es sind drei grundlegend verschiedene Strategien zur Berechnung dieser Teilformeln bekannt: mittels Einfügen von Klauseln in ein erfüllbares Teilproblem, durch Entfernen von Kauseln aus einem unerfüllbaren Teilproblem und eine Kombination der beiden erstgenannten Methoden. In der vorliegenden Arbeit entwickeln wir zuerst eine interaktive Variante der Strategie, die auf Entfernen von Klauseln basiert. Sie ermöglicht es den Anwendern interessante Bereiche des Suchraumes manuell zu erschließen und aussagekräftige Erklärung für die Unerfüllbarkeit zu ermitteln. Der theoretische Hintergrund, der für die interaktive Berechnung von minimal unerfüllbaren Teilformeln entwickelt wurde, um dem Benutzer des Prototyps unnötige Schritte in der Berechnung der Teilformeln zu ersparen werden im Anschluss für die automatische Aufzählung von mehreren minimal unerfüllbaren Teilformeln verwendet, um dort die aktuell schnellsten Algorithmen weiter zu verbessern. Die Idee dabei ist mehrere Klauseln zu einem Block zusammenzufassen. Wir zeigen, wie diese Blöcke die Berechnungen von minimal unerfüllbaren Teilformeln positiv beeinflussen können. Durch die Implementierung eines Prototypen, der auf den aktuellen Methoden basiert, konnten wir die Effektivität unserer entwickelten Ideen belegen. Nachdem wir im ersten Teil der Arbeit grundlegende Algorithmen, die bei unerfüllbaren SAT-Problemen angewendet werden, verbessert haben, wenden wir uns im zweiten Teil der Arbeit neuen Anwendungsmöglichkeiten für SAT zu. Zuerst steht dabei ein Problem aus der Bioinformatik im Mittelpunkt. Wir lösen das sogenannte Kompatibilitätproblem für evolutionäre Bäume mittels einer Kodierung als Erfüllbarkeitsproblem und zeigen anschließend, wie wir mithilfe dieser neuen Kodierung ein nah verwandtes Optimierungsproblem lösen können. Den von uns neu entwickelten Ansatz vergleichen wir im Anschluss mit den bisher effektivsten Ansätzen das Optmierungsproblem zu lösen. Wir konnten zeigen, dass wir für den überwiegenden Teil der getesteten Instanzen neue Bestwerte in der Berechnungszeit erreichen. Die zweite neue Anwendung von SAT ist ein Problem aus der Graphentheorie, bzw. dem Graphenzeichen. Durch eine schlichte, intuitive, aber dennoch effektive Formulierung war es uns möglich neue Resultate für das Book Embedding Problem zu ermitteln. Zum einen konnten wir eine nicht triviale untere Schranke von vier für die benötigte Seitenzahl von 1-planaren Graphen ermitteln. Zum anderen konnten wir zeigen, dass es nicht für jeden planaren Graphen möglich ist, eine Einbettung in drei Seiten mittels einer sogenannten Schnyder-Aufteilung in drei verschiedene Bäume zu berechnen

A Collapsing Method for Efficient Recovery of Optimal Edges

In this thesis we present a novel algorithm, HyperCleaning*, for effectively inferring phylogenetic trees. The method is based on the quartet method paradigm and is guaranteed to recover the best supported edges of the underlying phylogeny based on the witness quartet set. This is performed efficiently using a collapsing mechanism that employs memory/time tradeoff to ensure no loss of information. This enables HyperCleaning* to solve the relaxed version of the Maximum-Quartet-Consistency problem feasibly, thus providing a valuable tool for inferring phylogenies using quartet based analysis

Fast and accurate supertrees: towards large scale phylogenies

Phylogenetics is the study of evolutionary relationships between biological entities; phylogenetic trees (phylogenies) are a visualization of these evolutionary relationships. Accurate approaches to reconstruct hylogenies from sequence data usually result in NPhard optimization problems, hence local search heuristics have to be applied in practice. These methods are highly accurate and fast enough as long as the input data is not too large. Divide-and-conquer techniques are a promising approach to boost scalability and accuracy of those local search heuristics on very large datasets. A divide-and-conquer method breaks down a large phylogenetic problem into smaller sub-problems that are computationally easier to solve. The sub-problems (overlapping trees) are then combined using a supertree method. Supertree methods merge a set of overlapping phylogenetic trees into a supertree containing all taxa of the input trees. The challenge in supertree reconstruction is the way of dealing with conflicting information in the input trees. Many different algorithms for different objective functions have been suggested to resolve these conflicts. In particular, there are methods that encode the source trees in a matrix and the supertree is constructed applying a local search heuristic to optimize the respective objective function. The most widely used supertree methods use such local search heuristics. However, to really improve the scalability of accurate tree reconstruction by divide-and-conquer approaches, accurate polynomial time methods are needed for the supertree reconstruction step. In this work, we present approaches for accurate polynomial time supertree reconstruction in particular Bad Clade Deletion (BCD), a novel heuristic supertree algorithm with polynomial running time. BCD uses minimum cuts to greedily delete a locally minimal number of columns from a matrix representation to make it compatible. Different from local search heuristics, it guarantees to return the directed perfect phylogeny for the input matrix, corresponding to the parent tree of the input trees if one exists. BCD can take support values of the source trees into account without an increase in complexity. We show how reliable clades can be used to restrict the search space for BCD and how those clades can be collected from the input data using the Greedy Strict Consensus Merger. Finally, we introduce a beam search extension for the BCD algorithm that keeps alive a constant number of partial solutions in each top-down iteration phase. The guaranteed worst-case running time of BCD with beam search extension is still polynomial. We present an exact and a randomized subroutine to generate suboptimal partial solutions. In our thorough evaluation on several simulated and biological datasets against a representative set of supertree methods we found that BCD is more accurate than the most accurate supertree methods when using support values and search space restriction on simulated data. Simultaneously BCD is faster than any other evaluated method. The beam search approach improved the accuracy of BCD on all evaluated datasets at the cost of speed. We found that BCD supertrees can boost maximum likelihood tree reconstruction when used as starting tree. Further, BCD could handle large scale datasets where local search heuristics did not converge in reasonable time. Due to its combination of speed, accuracy, and the ability to reconstruct the parent tree if one exists, BCD is a promising approach to enable outstanding scalability of divide-and-conquer approaches.Die Phylogenetik studiert die evolutionären Beziehungen zwischen biologischen Entitäten. Phylogenetische Bäume sind eine Visualisierung dieser Beziehungen. Akkurate Ansätze zur Rekonstruktion von Phylogenien aus Sequenzdaten führen in der Regel zu NP-schweren Optimierungsproblemen, sodass in der Praxis lokale Suchheuristiken angewendet werden müssen. Diese Methoden liefern akkurate Bäume und sind schnell genug, solange die Eingabedaten nicht zu groß werden. Teile-und-herrsche-Verfahren sind ein vielversprechender Ansatz, um Skalierbarkeit und Genauigkeit dieser lokalen Suchheuristiken auf sehr großen Datensätzen zu verbessern. Beim Teile-und-herrsche-Ansatz zerlegt man ein großes phylogenetisches Problem in kleinere Teilprobleme, die einfacher und schneller zu lösen sind. Die Teilprobleme, in diesem Fall überlappende Teilbäume, müssen dann zu einem gesamtheitlichen Baum kombiniert werden. Superbaummethoden verschmelzen solche überlappenden phylogenetischen Bäume zu einem Superbaum, der alle Taxa der Eingangsbäume enthält. Die Herausforderung bei der Superbaumrekonstruktion besteht darin, mit widersprüchlichen Eingabebäumen umzugehen. Es wurden viele verschiedene Algorithmen mit unterschiedlichen Zielfunktionen entwickelt, um solche Widersprüche möglichst sinnvoll aufzulösen. Verfahren, die auf der Kodierung der Eingabebäume als Matrixrepräsentation basieren, sind am weitesten verbreitet. Die zum Auflösen der Konflikte verwendeten Zielfunktionen führen in der Regel zu NP-schweren Optimierungsproblemen, sodass in der Praxis auch hier lokale Suchheuristiken zum Einsatz kommen. Da diese Ansätze nicht wesentlich besser mit der Größe der Eingabedaten skalieren als die direkte Rekonstruktion aus Sequenzdaten, werden für die Superbaumrekonstruktion in Teile-undherrsche-Ansätzen akkurate Polynomialzeitmethoden benötigt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der akkuraten Rekonstruktion von Superbäumen in Polynomialzeit. Wir präsentieren Bad Clade Deletion (BCD), eine neue Polynomialzeitheuristik zur Superbaumrekonstruktion. BCD verwendet minimale Schnitte in Graphen, um eine minimale Anzahl von Spalten aus der Matrixrepräsentation zu löschen, sodass diese konfliktfrei wird. Im Gegensatz zu lokalen Suchheuristiken garantiert BCD die Rekonstruktion einer perfekten Phylogenie, sofern eine solche für die Eingabematrix existiert. BCD ermöglicht es, Gütekriterien der Eingabebäume zu berücksichtigen, ohne dass sich dadurch die Komplexität erhöht. Weiterhin zeigen wir, wie zuverlässige Kladen verwendet werden können, um den Suchraum für BCD einzuschränken und wie man diese mit Hilfe des Greedy Strict Consensus Mergers aus den Eingabedaten gewinnen kann. Schließlich stellen wir eine Strahlensuche für BCD vor. Diese erlaubt es eine bestimmte Anzahl suboptimaler Teillösungen (anstatt nur der optimalen) zu berücksichtigen, um so das Gesamtergebnis zu verbessern. Die Worst-Case-Laufzeit der Strahlensuche ist immer noch polynomiell. Zur Berechnung suboptimaler Teillösungen stellen wir einen exakten und einen randomisierten Algorithmus vor. In einer ausführlichen Evaluation auf mehreren simulierten und biologischen Datensätzen vergleichen wir BCD mit einer repräsentativen Auswahl an Superbaummethoden. Wir haben herausgefunden, dass BCD bei Verwendung von Gütekriterien und Suchraumbeschränkung auf simulierten Daten genauer ist als die akkuratesten evaluierten Superbaummethoden. Gleichzeitig ist BCD deutlich schneller als alle evaluierten Methoden. Die Strahlensuche verbessert die Qualität der BCD-Bäume auf allen Datensätzen, allerdings auf Kosten der Laufzeit. Weiterhin fanden wir heraus, dass ein BCD-Superbaum, der als Startbaum verwendet wird, die Qualität einer Maximum-Likelihood-Baumrekonstruktion verbessern kann. Außerdem kann BCD Datensätze verarbeiten, die so groß sind, dass lokale Suchheuristiken auf diesen nicht mehr in angemessener Zeit konvergieren. Aufgrund der Kombination aus Geschwindigkeit, Genauigkeit und der Fähigkeit, den Elternbaum zu rekonstruieren, sofern ein solcher existiert, ist BCD ein vielversprechender Ansatz um die Skalierbarkeit von Teile-und-herrsche-Methoden entscheidend zu verbessern

Polynomial supertree methods in phylogenomics: algorithms, simulations and software

One of the objectives in modern biology, especially phylogenetics, is to build larger clades of the Tree of Life. Large-scale phylogenetic analysis involves several serious challenges. The aim of this thesis is to contribute to some of the open problems in this context. In computational phylogenetics, supertree methods provide a way to reconstruct larger clades of the Tree of Life. We present a novel polynomial time approach for the computation of supertrees called FlipCut supertree. Our method combines the computation of minimum cuts from graph-based methods with a matrix representation method, namely Minimum Flip Supertrees. Here, the input trees are encoded in a 0/1/?-matrix. We present a heuristic to search for a minimum set of 0/1-flips such that the resulting matrix admits a directed perfect phylogeny. In contrast to other polynomial time approaches, our results can be interpreted in the sense that we try to minimize a global objective function, namely the number of flips in the input matrix. We extend our approach by using edge weights to weight the columns of the 0/1/?-matrix. In order to compare our new FlipCut supertree method with other recent polynomial supertree methods and matrix representation methods, we present a large scale simulation study using two different data sets. Our findings illustrate the trade-off between accuracy and running time in supertree construction, as well as the pros and cons of different supertree approaches. Furthermore, we present EPoS, a modular software framework for phylogenetic analysis and visualization. It fills the gap between command line-based algorithmic packages and visual tools without sufficient support for computational methods. By combining a powerful graphical user interface with a plugin system that allows simple integration of new algorithms, visualizations and data structures, we created a framework that is easy to use, to extend and that covers all important steps of a phylogenetic analysis