National audienceE-Biothon : Une plate-forme pour accélérer les recherches en biologie, santé et environnemen

Bard, Nicolas

Boin, Sylvie

Bothorel, François

Chaumeil, Philippe

Collinet, Philippe

Daydé, Michel

Depardon, Benjamin

Desprez, Frédéric

Flé, Marie

Franc, Alain,

Frigerio, Jean-Marc

Gascuel, Olivier

Gibrat, Jean-François

Girou, Denis

Guindon, Stéphane

Lavallée, Pierre-François

Lefort, Vincent

Lesage, Gilles

Rugeri, Marc

Ruinet, Evelyne

Seguin, Christophe

Thérond, Sylvie

Franc, Alain

INRIA a CCSD electronic archive server

  E-Biothon : Une plate-forme pour accélérer les recherches en biologie, santé et environnement.Journées SUCCES – 13 Novembre 2013N.Bard, S.Boin, F.Bothorel, P.Collinet, M.Daydé, B. Depardon, F. Desprez, M.Flé, A.Franc, J.-F. Gibrat, D. Girou, P.-F. Lavallée, V.Lefort, M.Rugeri, E.Ruinet, C.Séguin, S.Thérond.  Introduction● Des constats – Des besoins grandissants autour des sciences du vivant (parallélisation, gestion de données, algorithmique adaptée, …)– Un besoin de transparence dans l'utilisation des ressources informatiques– Des plates-formes disponibles et des logiciels matures pour les gérer– Le mode SaaS (Software as a Service) s'impose maintenant même pour les applications scientifiques  Bioinformatique : des besoins croissantsAugmentation du nombre et de la taille des données● De plus en plus de données séquencées● Coût des séquenceurs qui décroit et leur nombre qui croitImpact de la modélisation dans la biologie● Nombreuses équipes qui travaillent sur des modèles mathématiques et sur des programmes informatiques qui modélisent les phénomènes et analysent les données  Partenaires  Rôles des partenaires● CNRS–pilotage du programme scientifique–participation de ses équipes UMR ou UPR à la réalisation de recherches dans le projet–participation à la mise en place, le bon fonctionnement des moyens de calcul ainsi que l’aide au déploiement des applications et le support utilisateur.● IBM–apport technologique, la mise en place d’éléments d’une plateforme distribuée –apport scientifique par la collaboration avec ses laboratoires de recherche.● INRIA–participation de ses équipes à la réalisation de recherches du projet–aide au déploiement des applications et le support utilisateur● IFB–rôle « d’intermédiaire » entre la communauté des sciences de la vie et la communauté de la recherche en informatique et bioinformatique pour contribuer au relais de cette action vers la communauté des sciences de la vie et l’identification d’applications pertinentes● SysFera–fourniture de la solution logicielle de gestion de la plate-forme et du passage en mode SaaS  L' héritage du DécrypthonObjectifs● Accélérer la recherche sur les maladies génétiques et rares.● Rendre transparente l'utilisation de ressources de calcul distribuées aux utilisateurs.Moyens● Une grille de calcul comportant six sites (Bordeaux 1, Lille 1, l'ENS de Lyon, Paris IV, Orsay, et l'UPMC)● L'intergiciel DIET, et une interface web.  BlueGene/P : le cœur de la plate formeDeux racks de Blue Gene P. ● Puissance en crête de 28 téraflops● Chaque rack compte 1024 nœuds de 4 cœur.● Chaque nœud possède 2 gigaoctets de mémoire RAM.● Une capacité de stockage de 200 téraoctets.Deux modes de fonctionnement.● Le mode standard.● Le mode High Throughtput Computing.  La solution SysferaMachinefrontaleLoadlevelerIDRISSeD TMS & FMSCloud CNRS RechercheVM : Serveur WebSysfera-DS WebboardVishnuBlue GeneZeroMQDBUtilisateursTelle qu'elle est déployée sur notre plate-forme.HTTPSSeD : server daemon, un processus de service de vishnu.  WebBoard : l'interface WebGestion des utilisateurs● Authentification des utilisateurs.● Gestion en projets.Gestion des droits● Un système de rôles auxquels sont associées des permissions.● Des rapports d'activités pour les administrateurs.Gestion des applications● Les applications sont facilement entrées dans la base de données.● Les applications peuvent être liées à des projets.● Les applications peuvent être mises à jour « en temps réel ».  Gestion de fichiers  Soumission de jobs  Disseq  Définition: La distance d'édition entre deux chaînes de caractères est définie comme : Le nombre minimal de modifications requis pour passer d'unechaîne à l'autre, les opération de modification possibles étantl'insertion, la suppression, ou la substitution d'un caractère.Taxonomie et distance d'éditionkitten → sitten (substitution de 'k' et 's')sitten → sittin (substitution de 'e' et 'i')sittin → sitting (ajout de 'g' à la fin).  Table 105 specimen × 103 bases AlignmentsPhylogenies?OTUPairwise distancesClustering Dimension reductionPattern recognition…GraphsA variety of possibilitiesblue -> Mimosoideae--------------------------------------lightblue -> Lecythidaceae--------------------------------------cyan -> Chrysobalanaceae--------------------------------------green -> Annonaceae--------------------------------------lightgreen -> Caesalpinioideae--------------------------------------yellow -> Myrtaceae--------------------------------------orange -> Elaeocarpaceae--------------------------------------magenta -> Apocynaceae--------------------------------------salmon -> Burseraceae--------------------------------------red -> Malvaceae--------------------------------------Application~ 1000 individus La théorie (botanique) indique une structure hiérarchique de la diversitéespèces – genres – familles – ordres …La retrouve-t-on dans les distances entre séquences ?  PhyML● Un outil de comparaison des espèces du vivant, efficace, rapide et précis.● Basé sur le principe du maximum de vraisemblance.● L'algorithme calcule la probabilité que les données correspondent à plusieurs modèles d'arbres d'évolution darwinienne, et le résultat est le modèle ayant la plus haute probabilité.Original algorithm :(a) A first tree is built by a fast distance based algorithm (BIONJ).(b) The model parameters (e.g., gamma) are optimised and periodically updated.(c) The tree is iteratively refined until convergence: (1) compute all possible changes; (2) apply a proportion λ of these changes; (3) check that the modified tree is better than the current tree, otherwise divide λ by 2 and return to (2).(d) Return the current tree.La publication de PhyML est la plus citée au monde en environnement-écologie depuis 2007 (cf. Science Watch)  Perspectives● Mise en place de la plate-forme et de son environnement logiciel● Prise en compte des particularités de la plate-forme matérielle● Validation sur 3 premières applications● Appel à projet en prévision pour 2014 avec un ouverture vers la communauté sciences de la vie● Possibilité d'ajouter d'autres ressources à la plate-forme● Contacts● Michel Daydé (CNRS) : michel.dayde@irit.fr● Frédéric Desprez (INRIA) : Frederic.Desprez@inria.fr● IFB  Merci de votre attention.Avez-vous des questions ?

E-Biothon : Une plate-forme pour accélérer les recherches en biologie, santé et environnement

HAL Descartes

HAL-ENS-LYON

E-Biothon : Une plate-forme pour acce´le´rer lesrecherches en biologie, sante´ et environnementNicolas Bard, Sylvie Boin, Franc¸ois Bothorel, Philippe Chaumeil, PhilippeCollinet, Michel Dayde´, Benjamin Depardon, Fre´de´ric Desprez, Marie Fle´,Alain Franc, et al.To cite this version:Nicolas Bard, Sylvie Boin, Franc¸ois Bothorel, Philippe Chaumeil, Philippe Collinet, et al.. E-Biothon : Une plate-forme pour acce´le´rer les recherches en biologie, sante´ et environnement.Journe´es SUCCES 2013, Nov 2013, Paris, France. <hal-00927495>HAL Id: hal-00927495https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00927495Submitted on 13 Jan 2014HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,e´manant des e´tablissements d’enseignement et derecherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoirespublics ou prive´s.E-Biothon : Une plate-forme pour accélérer les recherches en biologie, santé et environnement N. Bard (1), S. Boin (2), F. Bothorel (2), P. Chaumeil (9), P. Collinet (3), M. Daydé (4), B. Depardon(5), F. Desprez (6), M. Flé (3), A. Franc (9), J.-M. Frigerio (9), O. Gascuel (7), S. Guindon (7,10), J.-F. Gibrat (7), D. Girou (3), P.-F. Lavallée (3), V. Lefort, (8), G. Lesage (2), M. Rugeri (3), É. Ruinet (3), C. Séguin (5), S. Thérond (3) (1) CNRS LIP UMR 5668, ENS Lyon, 46 Allée d'Italie, Lyon, France, Nicolas.Bard@ens-lyon.fr (2) IBM France, Gilles.Lesage@fr.ibm.com (3) IDRIS-CNRS, Rue John von Neumann, B.P. 167, Orsay, prenom.nom@idris.fr (4) Université de Toulouse / INPT - CNRS / IRIT, Michel.Dayde@cnrs-dir.fr (5) SysFera, 13 av. Albert Einstein, Villeurbanne, France,  {Cyril.Seguin, Benjamin.Depardon}@sysfera.com (6) INRIA LIP UMR 5668, ENS Lyon, 46 Allée d'Italie, Lyon, France, Frederic.Desprez@inria.fr  (7) Mathématique Informatique et Génome, INRA, Jean-Francois.Gibrat@jouy.inra.fr (8) Univ Montpellier 2, CNRS, UMR 5506, LIRMM, Montpellier, France, Vincent.Lefort@lirmm.fr (9) UMR BioGeCo, INRA & Université Bordeaux, Alain.Franc@pierroton.inra.fr (10) Department of Statistics, University of Auckland, New Zealand. Overview Thanks to the availability of computational grids, Clouds, and their middleware, a seamless access to computation and storage resources is provided to scientists and application developers. Following the success of the Décrypthon project, the E-Biothon project (between CNRS, IBM, Institut Français de Bioinformatique, INRIA, and SysFera) is one example of such a high performance platform. The E-Biothon Cloud aims at promoting access to computational resources to foster the development of large-scale research programs in the field of biology, health, and environmental projects.  In this paper, we present the architecture of the platform, the middleware developed to facilitate access to the Blue Gene/P machines managed and hosted by IDRIS, and the first applications ported on it.  Enjeux scientifiques, besoin en calcul, stockage et visualisation L'outil informatique (simulation, Big Data, …) est au cœur de la plupart des avancées de la recherche actuelle. Plusieurs acteurs majeurs dans leur domaine, le CNRS, IBM, l'Institut Français de Bioinformatique, INRIA et SysFera se sont alliés pour offrir à l'ensemble de la communauté scientifique la plate-forme expérimentale E-Biothon afin de mettre au point les logiciels et applications permettant d'accélérer les recherches en biologie (génomique, protéomique, …), en santé (épidémiologie, compréhension des maladies génétiques, …) et en écologie-environnement (biodiversité, …). La France a toujours été à la pointe dans le domaine de la recherche médicale, notamment concernant les grandes pathologies de notre temps (SIDA, cancer ou encore diabète). Il apparaît de plus en plus clairement que les différentes analyses « omiques » effectuées sur les pathogènes et leurs hôtes sont d'une aide précieuse dans la découverte de nouveaux traitements. Les avancées technologiques récentes, telles que les séquenceurs haut-débit, permettent aux chercheurs des sciences de la vie d'avoir accès à des quantités gigantesques de données brutes (des pétaoctets de données sont générés par an) sur les propriétés biologiques des organismes d'intérêt, virus, bactéries, espèce humaine, etc. Analyser ces données brutes pour en extraire des connaissances biologiques est une tâche ardue qui nécessite des traitements informatiques lourds et coûteux au travers d'applications bien conçues. En 2001, lors du médiatique Téléthon, une première opération « Décrypthon » avait permis la réalisation d'une base de données permettant de lister l'ensemble des protéines du monde vivant. L'objectif était de cartographier le protéome. Entre décembre 2001 et mai 2002, 75 000 internautes ont permis la comparaison de 560 000 protéines connues provenant de diverses espèces. En 2004, fruit d'une collaboration tripartite de l'AFM (Association Française contre les Myopathies), du CNRS et d'IBM, le programme Décrypthon a été lancé avec des objectifs à plus long terme. Les projets sélectionnés par l'AFM avaient tous des problématiques liées aux objectifs scientifiques de l'AFM: guérir les maladies neuromusculaires et les maladies rares, pour la plupart génétiques. Six universités partenaires (Bordeaux I, Lille I, l'ENS de Lyon, Paris IV, Orsay et l'UPMC) où des supercalculateurs avaient été installés par IBM, ont formé une grille de calcul reliée par le réseau RENATER et gérée par le logiciel SysFera-DS de SysFera [1]. Le CRIHAN participait également au programme, en hébergeant les données volumineuses des projets scientifiques. Le programme Décrypthon avait par ailleurs soumis l'application MaxDO à la grille d'internautes (Desktop grid) World Community Grid, sous le nom de Help Cure Muscular Dystrophy (HCMD) [2,3]. Cette application nécessitait en effet, par opposition aux autres applications mises en avant, un temps de calcul bien supérieur à ce qu'une grille dédiée pouvait alors fournir. Afin d'accélérer drastiquement la découverte de nouveaux traitements de rupture ou de mieux comprendre notre environnement, IBM, le CNRS (via l'IDRIS et l'Institut des Grilles et du Cloud avec le soutien de France Grilles), l'Institut Français de Bioinformatique, INRIA et SysFera se sont associés pour mettre à disposition des chercheurs la plate-forme de Cloud E-Biothon fournissant le portail applicatif et la puissance de calcul permettant d'aborder le traitement des données complexes de la biologie d'aujourd'hui et de mettre au point les logiciels applicatifs de demain. La plate-forme E-Biothon propose aux scientifiques une solution unique et indispensable pour réaliser leurs analyses de phylogénie, d'épidémiologie ou encore de génomique. Dans cet article, nous présentons la plate-forme E-Biothon et les premières applications portées sur celle-ci. Plate-forme de calcul et logiciel de gestion du Cloud La plate-forme E-Biothon est déployée à l’IDRIS (Institut du développement et des ressources en informatique scientifique), un des trois grands centres de calcul nationaux. La puissance de calcul allouée au projet E-Biothon consiste en deux racks de Blue Gene/P. Ces deux racks offrent une puissance en crête de 28 téraflops et chaque rack compte mille vingt quatre nœuds, de quatre cœurs chacun. Chaque nœud a une quantité de mémoire RAM partagée de 2 gigaoctets (ainsi nous avons un peu moins de 500 mégaoctets de mémoire par cœur, quand on prend en compte la mémoire occupée par le système d’exploitation). La Blue Gene est aussi dotée d’une capacité de stockage de 200 téraoctets. Pour accéder à cette puissance de calcul, un serveur dédié est utilisé comme machine frontale. Les utilisateurs en ligne de commande peuvent soumettre des jobs via le gestionnaire local de ressources, LoadLeveler. Portail Web Le projet E-Biothon requiert également un serveur Web, pour héberger le portail web qui permet aux utilisateurs d’avoir accès à une interface graphique pour gérer leurs simulations. Nous avons décidé d’utiliser une machine virtuelle sur le « CNRS Cloud Recherche ». Il s’agit pour l’instant d’une machine virtuelle légère avec simplement deux processeurs virtuels, 4 gigaoctets de mémoire vive et un disque dur virtuel de 40 gigaoctets. La solution SysFera-DS 1 [4] offre ce portail web d’accès aux applications et, in fine, aux ressources de calcul. À travers ce portail, les chercheurs ont accès à tout un environnement de travail leur permettant d’exécuter simplement les traitements informatiques en lien avec les analyses « omiques » à réaliser, puis de gérer les données générées, tout cela à partir d’un simple navigateur web, sans installation locale et avec une sécurité des données garantie. Ainsi, ils peuvent interagir avec une seule interface conviviale plutôt qu'avec des gestionnaires de ressources de Calcul Haute Performance. SysFera-DS s’occupe ainsi d’abstraire et de rendre transparente l’infrastructure de calcul aux utilisateurs afin de leur permettre de se concentrer sur leurs recherches. Les différents acteurs du projet E-Biothon tirent partie de cette solution : • Pour les administrateurs : cela permet d’abstraire l’infrastructure et de simplifier son utilisation pour les utilisateurs, ils disposent également d’une interface de suivi de l’utilisation pour suivre la consommation en heures de calcul des différents projets et des différents utilisateurs grâce au module de statistiques intégré. • Pour les chefs de projet : il est possible de définir des projets au sein du portail et ainsi de faire collaborer des chercheurs autour d’applications communes. Au sein de ces projets, les responsables peuvent définir des rôles pour les différents utilisateurs, gérer les applications qui sont rendues disponibles et suivre la consommation des heures de calcul et ainsi gérer au mieux leurs quotas d’heures allouées. • Pour les chercheurs : c’est l’accès à toute la puissance de calcul de l’infrastructure E-Biothon en quelques clics. Chaque application expose uniquement ses paramètres propres, permettant ainsi d’exécuter simplement de nombreuses simulations. Les fichiers d’entrée et de résultats peuvent être gérés à travers le portail, aussi simplement que des fichiers locaux. Applications portées sur la plate-forme Nous décrivons maintenant les trois applications pilotes qui ont été sélectionnées dans la première partie du projet. L’application en Barcoding développée par Alain Franc de l’INRA à Bordeaux (en lien avec un consortium associant Thonon, Jouy et l’université de Clermont) permet d’étudier la diversité biologique et la structure des différentes communautés d’organismes. Elle repose sur un outil d’inventaire rapide de communautés de microorganismes à partir de données de séquençages issues d’outils de nouvelle génération (Roche, Illumina). À partir du séquençage massif d’un échantillon environnemental (eau, sol, etc.), tous organismes confondus, les outils déployés sur le E-Biothon permettront de comparer ces données aux bases disponibles, de dresser un inventaire taxonomique et de proposer des indices de diversité de la communauté prélevée. L'application de phylogénie développée au sein du LIRMM Montpellier par Olivier Gascuel, Stéphane Guindon et Vincent Lefort, permet de réaliser des analyses phylogénétiques dont l'objectif est de reconstruire l'histoire évolutive d'objets biologiques divers, depuis les molécules du vivant jusqu'aux espèces et populations. Ces analyses sont aujourd'hui incontournables dans tous les domaines liés à la biologie. Leurs applications sont très variées, par exemple en génomique                                                                 1  http://www.sysfera.fr/sysfera-ds pour prédire la fonction des gènes et identifier des cibles thérapeutiques; en médecine pour retracer l'origine des épidémies et prévenir les nouvelles pandémies [7], en écologie pour faire l'inventaire de la biodiversité et préserver l'environnement. PhyML [6] permet de réaliser des analyses phylogénétiques utilisant des modèles d'évolution probabilistes en un temps de calcul raisonnable, ce qui n'était pas possible avant sa publication. Il implémente des algorithmes très rapides qui permettent de traiter avec une grande précision (critère statistique du maximum de vraisemblance) des données inexploitables auparavant avec ce type d'approche. La publication princeps de PhyML (Systematic Biology 2003, [6]) est la plus citée au monde en environnement-écologie depuis 2007, avec plus de 6000 citations dans des revues scientifiques (cf. Science Watch et Web of Science) 2 3. Autour du calcul et de la visualisation de relations de synténie dans des génomes bactériens, l’unité Mathématique, Informatique et Génome de l’INRA à Jouy-en-Josas a développé un pipeline permettant de calculer des relations d'homologie entre des génomes bactériens séquencés et de les stocker dans une base de données relationnelle. Elle a aussi développé un outil Web se connectant à la base pour en extraire ces relations et permettre ainsi aux biologistes de les visualiser et de les utiliser pour compléter l’annotation des génomes. Le calcul des relations de synténie nécessite la comparaison deux à deux (avec BLAST [5]) de toutes les séquences protéiques des plus de 2000 génomes bactériens complets (soit environ sept millions) et le calcul de la conservation de l’ordre des gènes orthologues le long des génomes par une technique de programmation dynamique. Conclusion et perspectives Démarré sur la base et sur l’expérience acquise pendant le projet Décrypthon, cette nouvelle plate-forme se veut ouverte à de nombreuses applications pouvant être portées sur les Blue Gene/P. Grâce à un portail web simple et dédié aux applications et à la gestion de la plate-forme, la transparence et la simplicité d’utilisation permettent aux scientifiques d’autres disciplines d’avoir accès à leurs applications de manière performante, au sein d’un Cloud, et en mode SaaS 4.  Après cette phase initiale de déploiement, l’objectif est d’ouvrir cette plate-forme à l'ensemble de la communauté scientifique des sciences de la vie à compter de 2014. IBM assure la maintenance des Blue Gene/P et le support matériel autour de ces équipements, le CNRS met à disposition, héberge et administre les calculateurs à l’IDRIS et est en charge, avec INRIA, du support utilisateurs. Enfin, le portail d’accès aux ressources déployé est la solution SysFera-DS développée par SysFera. Références [1] Bard, N., Bolze, R., Caron, E., Desprez, F., Heymann, M., Friedrich, A., Moulinier, L., Nguyen, N.-H., Poch, O., Toursel, T., Décrypthon Grid - Grid Resources Dedicated to Neuromuscular Disorders, The 8th HealthGrid conference proceedings, June, 2010. [2] Bard, N., Bertis, V., Bolze, R., Desprez, F., A Volunteer Computing Platform Experience for Neuromuscular Diseases Problems, Desktop Grid Computing, Cerin, C., Feday, G. Eds, Chapman & Hall/CRC Numerical Analysis and Scientific Computation Series, Chapman & Hall/CRC, pp. 125-146, May, 2012. [3] Bertis, V., Bolze, R., Desprez, F., Reed, K., From Dedicated Grid to Volunteer Grid: Large Scale Execution of a Bioinformatics Application, Journal of Grid Computing, Vol. 7, N. 4, pp. 463-478, Dec. 2009. [4] Depardon, B., Kortas, S., Daix, B. and Barate, R., SysFera-DS : Un portail d’accès unifié aux ressources des centres de calcul. Mise en application à EDF R&D. In journées scientifiques mésocentres et France Grilles 2012, Paris, France, October 2012. [5] Altschul S.F., Gish W., Miller W., Myers E.W., Lipman D.J., Basic Local Alignment Search Tool, J. Mol. Biol., 215: 403-10, 1990. [6] Guindon, S., Gascuel, O., A simple, fast, and accurate algorithm to estimate large phylogenies by maximum likelihood, Systematic Biology, Oct;52(5):696-704, 2003. [7] Jung M., Leye N., Vidal N., Fargette D., Diop H., Toure Kane C., Gascuel O., Peeters M., The origin and evolutionary history of HIV-1 subtype C in Senegal. PLoS One, 7(3):e33579, 2012. [8] Kermarrec, L., Franc, A., Rimet, F., Chaumeil, Ph., Humbert J.-F. & Bouchez, A. Next-generation sequencing to inventory taxonomic diversity in eukaryotic communities: a test for freshwater diatoms. Molecular Ecology Resources, 13(4):607-619, 2013.                                                                 2  http://www2.cnrs.fr/en/454.htm 3  http://www.esi-topics.com/fbp/2005/february05-Guindon-Gascuel.html 4  Software as a Service.  

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