Pathway Preserving Representation of Metabolic Networks

International audienceImprovements in biological data acquisition and genomes sequencing now allow to reconstruct entire metabolic networks of many living organisms. The size and complexity of these networks prohibit manual drawing and thereby urge the need of dedicated visualization techniques. An efficient representation of such a network should preserve the topological information of metabolic pathways while respecting biological drawing conventions. These constraints complicate the automatic generation of such visualization as it raises graph drawing issues. In this paper we propose a method to lay out the entire metabolic network while preserving the pathway informa- tion as much as possible. That method is flexible as it enables the user to define whether or not node duplication should be performed, to preserve or not the network topology. Our technique combines partitioning, node place- ment and edge bundling to provide a pseudo-orthogonal visualization of the metabolic network. To ease pathway information retrieval, we also provide complementary interaction tools that emphasize relevant pathways in the entire metabolic context

Visualisation interactive de graphes (élaboration et optimisation d'algortihmes à coûts computationnels élevés)

Un graphe est un objet mathématique modélisant des relations sur un ensemble d'éléments. Il est utilisé dans de nombreux domaines à des fins de modélisation. La taille et la complexité des graphes manipulés de nos jours entraînentdes besoins de visualisation afin de mieux les analyser. Dans cette thèse, nous présentons différents travaux en visualisation interactive de graphes qui s'attachent à exploiter les architectures de calcul parallèle (CPU et GPU) disponibles sur les stations de travail contemporaines. Un premier ensemble de travaux s'intéresse à des problématiques de dessin de graphes. Dessiner un graphe consiste à le plonger visuellement dans un plan ou un espace. La première contribution dans cette thématique est un algorithmede regroupement d'arêtes en faisceaux appelé Winding Roads.Cet algorithme intuitif, facilement implémentable et parallélisable permet de réduireconsidérablement les problèmes d'occlusion dans un dessin de graphedus aux nombreux croisements d'arêtes.La seconde contribution est une méthode permettant dedessiner un réseau métabolique complet. Ce type deréseau modélise l'ensemble des réactions biochimiquesse produisant dans les cellules d'un organise vivant.L'avantage de la méthode est de prendre en compte la décompositiondu réseau en sous-ensembles fonctionnels ainsi que de respecterles conventions de dessin biologique.Un second ensemble de travaux porte sur des techniques d'infographiepour la visualisation interactive de graphes. La première contribution dans cette thématique est une technique de rendude courbes paramétriques exploitant pleinement le processeur graphique. La seconde contribution est une méthodede rendu nommée Edge splatting permettant de visualiserla densité des faisceaux d'arêtes dans un dessin de grapheavec regroupement d'arêtes. La dernière contribution portesur des techniques permettant de mettre en évidence des sous-graphesd'intérêt dans le contexte global d'une visualisation de graphes.A graph is a mathematical object used to model relations over a set of elements.It is used in numerous fields for modeling purposes. The size and complexityof graphs manipulated today call a need for visualization to better analyze them.In that thesis, we introducedifferent works in interactive graph visualisation which aim at exploiting parallel computing architectures (CPU and GPU) available on contemporary workstations.A first set of works focuses on graph drawing problems.Drawing a graph consists of embedding him in a plane or a space.The first contribution in that theme is an edge bundling algorithmnamed Winding Roads. That intuitive, easyly implementable and parallelizable algorithmallows to considerably reduce clutter due to numerous edge crossings in a graph drawing.The second contribution is a method to draw a complete metabolicnetwork. That kind of network models the whole set of biochemical reactionsoccurring within cells of a living organism. The advantage of the methodis to take into account the decomposition of the network into functionnal subsetsbut also to respect biological drawing conventions.A second set of works focuses on computer graphics techniquesfor interactive graph visualisation. The first contributionin that theme is a technique for rendering parametric curvesthat fully exploits the graphical processor unit. The second contributionis a rendering technique named Edge splatting that allowsto visualize the bundles densities in an edge bundled layout. Thelast contribution introduces some techniques for emphasizingsub-graphs of interest in the global context of a graph visualization.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Second Generation General System Theory: Perspectives in Philosophy and Approaches in Complex Systems

Following the classical work of Norbert Wiener, Ross Ashby, Ludwig von Bertalanffy and many others, the concept of System has been elaborated in different disciplinary fields, allowing interdisciplinary approaches in areas such as Physics, Biology, Chemistry, Cognitive Science, Economics, Engineering, Social Sciences, Mathematics, Medicine, Artificial Intelligence, and Philosophy. The new challenge of Complexity and Emergence has made the concept of System even more relevant to the study of problems with high contextuality. This Special Issue focuses on the nature of new problems arising from the study and modelling of complexity, their eventual common aspects, properties and approaches—already partially considered by different disciplines—as well as focusing on new, possibly unitary, theoretical frameworks. This Special Issue aims to introduce fresh impetus into systems research when the possible detection and correction of mistakes require the development of new knowledge. This book contains contributions presenting new approaches and results, problems and proposals. The context is an interdisciplinary framework dealing, in order, with electronic engineering problems; the problem of the observer; transdisciplinarity; problems of organised complexity; theoretical incompleteness; design of digital systems in a user-centred way; reaction networks as a framework for systems modelling; emergence of a stable system in reaction networks; emergence at the fundamental systems level; behavioural realization of memoryless functions

Identification de motifs au sein des structures biologiques arborescentes

Avec l explosion de la quantité de données biologiques disponible, développer de nouvelles méthodes de traitements efficaces est une problématique majeure en bioinformatique. De nombreuses structures biologiques sont modélisées par des structures arborescentes telles que les structures secondaires d ARN et l architecture des plantes. Ces structures contiennent des motifs répétés au sein même de leur structure mais également d une structure à l autre. Nous proposons d exploiter cette propriété fondamentale afin d améliorer le stockage et le traitement de tels objets.En nous inspirant du principe de filtres sur les séquences, nous définissons dans cette thèse une méthode de filtrage sur les arborescences ordonnées permettant de rechercher efficacement dans une base de données un ensemble d arborescences ordonnées proches d une arborescence requête. La méthode se base sur un découpage de l arborescence en graines et sur une recherche de graines communes entre les structures. Nous définissons et résolvons le problème de chainage maximum sur des arborescences. Nous proposons dans le cas des structures secondaires d ARN une définition de graines (l d) centrées.Dans un second temps, en nous basant sur des techniques d instanciations utilisées, par exemple, en infographie et sur la connaissance des propriétés de redondances au sein des structures biologiques, nous présentons une méthode de compression permettant de réduire l espace mémoire nécessaire pour le stockage d arborescences non-ordonnées. Après une détermination des redondances nous utilisons une structure de données plus compacte pour représenter notamment l architecture de la plante, celle-ci pouvant contenir des informations topologiques mais également géométriques.The explosion of available biological data urges the need for bioinformatics methods. Manybiological structures are modeled by tree structures such as RNA secondary structure and plantsarchitecture. These structures contain repeating units within their structure, but also betweendifferent structures. We propose to exploit this fundamental property to improve storage andtreatment of such objects.Following the principle of sequence filtering, we define a filtering method on ordered treesto efficiently retrieve in a database a set of ordered trees close from a query. The method isbased on a decomposition of the tree into seeds and the detection of shared seeds between thesestructures. We define and solve the maximum chaining problem on trees. We propose for RNAsecondary structure applications a definition of (l d) centered seed.Based on instantiation techniques used for instance in computer graphics and the repetitivenessof biological structures, we present a compression method which reduces the memoryspace required for plant architecture storage. A more compact data structure is used in order torepresent plant architecture. The construction of this data structure require the identification ofinternal redundancies and taking into account both topological and geometrical informations.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF