Tesi di Laurea di Mauro Baluda matr
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1 Università degli Studi di Milano Bicocca Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Corso di Laurea in Informatica Algoritmi per l'allineamento di Sequenze Tesi di Laurea di matr Relatore: Prof. Giancarlo Mauri Correlatore: Prof. Gianluca Della Vedova Part of AliBio Project
2 OBIETTIVO: Il progetto ALiBio: obiettivi e linee guida Libreria efficiente e ben documentata di algoritmi per la bioinformatica LINEE GUIDA: Literate Programming (LaTeX + noweb [1] ) Codice: C++, STL [2], BOOST [3] Tests estensivi Licenza: Free Software LGPL [4] [1] NOWEB: Ramsey, N. (1994, September). Literate programming simplified. IEEE Software 11(5), [2] A.Stepanov M.Lee, The Standard Template Library. HP Laboratories Technical Report 95-11(R.1) [3] BOOST: C++ libraries [4]
3 Sequence Alignment: il problema Dato un alfabeto ed un sistema di penalità per la sostituzione dei suoi simboli, cercare il miglior allineamento possibile delle sequenze interessate Grande interesse biologico NP-hard per un numero arbitrario di sequenze Polinomiale per coppie di sequenze
4 GLOBALE: Tipi di Allineamento Le sequeze combaciano dall'inizio alla fine Possibile presenza di zone mal-allineate CATTTAGATT-C X X X --GTT-GTTTAT LOCALE: Ricerca del segmento che allinea al meglio catttagattc gttgtttat
5 Tipi di Allineamento SEMIGLOBALE: Allinea un prefisso di una delle due sequenze con un suffisso dell'altra: miglior sovrapposizione CATttagattc gttgttt-at PENALITA' AFFINE PER I GAP Penalizza allineamenti con GAPs brevi e frequenti Non incide sulla complessità costo = g+x*e g=costo per l'apertura di un gap x=lunghezza del gap e=costo per l'estensione di un gap
6 Tecniche risolutive: programmazione dinamica NEEDLEMAN-WUNSCH [5] SMITH-WATERMAN [6] Algoritmo di Programmazione Dinamica, riempie la matrice M 0 dei sottoproblemi spazio e tempo quadratici O(mn) [5] Needleman, S. B. and Wunsch, C. D. (1970) J. Mol. Biol. 48, [6] Smith TF, Waterman MS (1981) J. Mol. Biol 147(1);195-7
7 Tecniche risolutive: spazio lineare HIRSHBERG [7] MYERS-MILLER [8] Il calcolo del costo utilizza solo la riga e la colonna precedenti: spazio lineare O(min(m,n)) L'effettivo allineamento si ottiene con un algoritmo di tipo divide et impera: tempo quadratico O(mn) Memorizzare l'allineamento: spazio lineare O(m+n) [7] Hirshberg, D.S., A linear space algorithm for computing maximal common subsequences, Comm. Assoc. Comput. Mach., 18(6), , (1975). [8] E. Myers - W. Miller, Optimal Alignments in Linear Space, CABIOS 4, 1 (1988).
8 Test dell'implemantazione AUTOMATIC REGRESSION TESTING Realizzata una suite completa di test per tutte le funzioni della libreria TEST SU SEQUENZE CASUALI Realizzato un programma per la generazione di sequenze casuali e la verifica del loro allineamento RICERCA DI MEMORY LEAKS Utilizzato il tool Valgrind [9] per l'identificazione di eventuali errori nella gestione della memoria [9] Valgrind: Nicholas Nethercote and Julian Seward. Valgrind: A Program Supervision Frame-work. Electronic Notes in Theoretical Computer Science 89 No. 2, 2003.
9 Performances Misurazione tramite codice realizzato appositamente delle performances delle funzioni implementate
10 Performances: Confronto con EMBOSS [10] Confronto tra AliBio ed EMBOSS su un caso realistico* Semiglobal Alignment Linear-space aligment AliBio EMBOSS TEMPO 14 sec 22 sec SPAZIO 80 MB 40 MB TEMPO 35 sec 9 sec SPAZIO 140 kb 220 kb *Dati ottenuti dall'allineamento delle sequenze EMBL:L07770 e EMBL:AF disponibili sull'european Bioinformatics website [10] EMBOSS: The European Molecular Biology Open Software Suite (2000) Rice,P. Longden,I. and Bleasby,A.
11 Conclusioni e Sviluppi CONCLUSIONI: Le funzioni richieste sono state implementate secondo le linee guida di AliBio Le prestazioni ottenute sono in linea con le attese SVILUPPI ULTERIORI: Possibilità di ulteriori miglioramenti nelle performances Possibilità di allargare la libreria ad altri algoritmi per l'allineamento di sequenze
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