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

Evaluation of properties over phylogenetic trees using stochastic logics

Background: Model checking has been recently introduced as an integrated framework for extracting information of the phylogenetic trees using temporal logics as a querying language, an extension of modal logics that imposes restrictions of a boolean formula along a path of events. The phylogenetic tree is considered a transition system modeling the evolution as a sequence of genomic mutations (we understand mutation as different ways that DNA can be changed), while this kind of logics are suitable for traversing it in a strict and exhaustive way. Given a biological property that we desire to inspect over the phylogeny, the verifier returns true if the specification is satisfied or a counterexample that falsifies it. However, this approach has been only considered over qualitative aspects of the phylogeny. Results: In this paper, we repair the limitations of the previous framework for including and handling quantitative information such as explicit time or probability. To this end, we apply current probabilistic continuous-time extensions of model checking to phylogenetics. We reinterpret a catalog of qualitative properties in a numerical way, and we also present new properties that couldn't be analyzed before. For instance, we obtain the likelihood of a tree topology according to a mutation model. As case of study, we analyze several phylogenies in order to obtain the maximum likelihood with the model checking tool PRISM. In addition, we have adapted the software for optimizing the computation of maximum likelihoods. Conclusions: We have shown that probabilistic model checking is a competitive framework for describing and analyzing quantitative properties over phylogenetic trees. This formalism adds soundness and readability to the definition of models and specifications. Besides, the existence of model checking tools hides the underlying technology, omitting the extension, upgrade, debugging and maintenance of a software tool to the biologists. A set of benchmarks justify the feasibility of our approach

Synthesizing and executing plans in Knowledge and Action Bases

We study plan synthesis for a variant of Knowledge and Action Bases (KABs). KABs have been recently introduced as a rich, dynamic framework where states are full-fledged description logic (DL) knowledge bases (KBs) whose extensional part is manipulated by actions that can introduce new objects from an infinite domain. We show that, in general, plan existence over KABs is undecidable even under severe restrictions. We then focus on the class of state-bounded KABs, for which plan existence is decidable, and we provide sound and complete plan synthesis algorithms, through a novel combination of techniques based on standard planning, DL query answering, and finite-state abstractions. All results hold for any DL with decidable query answering. We finally show that for lightweight DLs, plan synthesis can be compiled into standard ADL planning. © 2016, CEUR-WS. All rights reserved

Temporalized logics and automata for time granularity

Suitable extensions of the monadic second-order theory of k successors have been proposed in the literature to capture the notion of time granularity. In this paper, we provide the monadic second-order theories of downward unbounded layered structures, which are infinitely refinable structures consisting of a coarsest domain and an infinite number of finer and finer domains, and of upward unbounded layered structures, which consist of a finest domain and an infinite number of coarser and coarser domains, with expressively complete and elementarily decidable temporal logic counterparts. We obtain such a result in two steps. First, we define a new class of combined automata, called temporalized automata, which can be proved to be the automata-theoretic counterpart of temporalized logics, and show that relevant properties, such as closure under Boolean operations, decidability, and expressive equivalence with respect to temporal logics, transfer from component automata to temporalized ones. Then, we exploit the correspondence between temporalized logics and automata to reduce the task of finding the temporal logic counterparts of the given theories of time granularity to the easier one of finding temporalized automata counterparts of them.Comment: Journal: Theory and Practice of Logic Programming Journal Acronym: TPLP Category: Paper for Special Issue (Verification and Computational Logic) Submitted: 18 March 2002, revised: 14 Januari 2003, accepted: 5 September 200

Interface-aware signal temporal logic

Safety and security are major concerns in the development of Cyber-Physical Systems (CPS). Signal temporal logic (STL) was proposedas a language to specify and monitor the correctness of CPS relativeto formalized requirements. Incorporating STL into a developmentprocess enables designers to automatically monitor and diagnosetraces, compute robustness estimates based on requirements, andperform requirement falsification, leading to productivity gains inverification and validation activities; however, in its current formSTL is agnostic to the input/output classification of signals, andthis negatively impacts the relevance of the analysis results.In this paper we propose to make the interface explicit in theSTL language by introducing input/output signal declarations. Wethen define new measures of input vacuity and output robustnessthat better reflect the nature of the system and the specification in-tent. The resulting framework, which we call interface-aware signaltemporal logic (IA-STL), aids verification and validation activities.We demonstrate the benefits of IA-STL on several CPS analysisactivities: (1) robustness-driven sensitivity analysis, (2) falsificationand (3) fault localization. We describe an implementation of our en-hancement to STL and associated notions of robustness and vacuityin a prototype extension of Breach, a MATLAB®/Simulink®toolboxfor CPS verification and validation. We explore these methodologi-cal improvements and evaluate our results on two examples fromthe automotive domain: a benchmark powertrain control systemand a hydrogen fuel cell system