Bio AXS: Uma Arquitetura para
Integração de Fontes de Dados e
Aplicações da Biologia Molecular
Departamento de
Informática
PUC-Rio
Aluno:
Luiz Fernando Bessa Seibel
([email protected])
Orientador:
Sérgio Lifschitz
([email protected])
Agenda
Bio AXS



Introdução
Motivação
Abordagens de integração
– no contexto da biologia molecular
– Trabalhos relacionados

A solução proposta - via framework
– Funcionalidades
– Instanciação dos hot spots
– Modelo de dados da arquitetura






Modelo conceitual de informações biológicas
Comparação entre as arquiteturas de integração
Implementação da solução proposta
Estudos de caso
Contribuições
Trabalhos futuros
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Fontes de Dados e Aplicações da Biologia
Molecular
2
Introdução
Bio AXS






Proposta inicial do doutorado: Pesquisa na área de
Bioinformática
Primeiro contato com FioCruz: 97
Resposta à questão: “que modelo de dados é
apropriado ?”
Importância de arquitetura de integração que
atendesse requisitos da pesquisa
Importância de construção de índices para
sequências (melhorar desempenho do BLAST)
Poucos grupos de pesquisa na área de bancos de
dados e bioinformática: S. Davidson, N. Paton, N.
Goodman, V. Markowitz
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
3
Motivação
Requisitos da Pesquisa em
Bioinformática
Bio AXS

Desafios:
– Lidar com enormes volumes de dados de
sequências e outras anotações biológicas,
armazenadas em inúmeras fontes de dados
heterogêneas, que estão distribuídas
– Desenvolver algoritmos de suporte à
interpretação dos dados
– Novas descobertas precisam ser incorporadas às
fontes de dados e podem exigir reconstrução
dos algoritmos
– Novo ramo da ciência: Bioinformática
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
4
Motivação
Requisitos da Pesquisa em
Bioinformática
Bio AXS

Problemas a resolver:
– acesso eficiente e integrado às informações
– tratamento da evolução dos esquemas das fontes de
dados
– tratamento da heterogeneidade das fontes de dados
– formulação de consultas complexas
– acesso a dados atualizados
– uso de estruturas de índices para acesso aos dados
– desenvolvimento de algoritmos específicos
– qualidade das informações armazenadas
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
5
Motivação
Fontes de Dados de Biologia Molecular
Bio AXS



Arquivos texto
Bancos de dados que usam modelos
de dados distintos (relacional,
orientado a objetos, relacional-objeto,
semi-estruturados)
Arquivos com formatos apropriados
para a execução de algoritmos
específicos (ex: FASTA, BLAST)
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
6
Motivação
Fontes de Dados de Biologia Molecular
Bio AXS

Armazenam informações complementares
do domínio do conhecimento
–
–
–
–
–
–
–
sequências de nucleotídeos e de proteínas
estruturas de proteínas
microarrays de DNA
anotações de fenômenos biológicos
taxonomia
publicações
pessoas e centros de pesquisa
Luiz Fernando Bessa Seibel
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7
Motivação
Fontes de Dados de Biologia Molecular
Bio AXS

Contém dados de:
– diversos organismos [GenBank, PIR,
Swiss-Prot]
– um organismo [AceDB, TcruziDB]
– células específicas (ou partes de)
[Mitomap]
– funções biológicas específicas [ExPASy]
– mutações [Human Mutation Databases]
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
8
Motivação
Aplicações e Ferramentas
Bio AXS





Estão associadas às fontes de dados
Cada fonte disponibiliza um conjunto reduzido de
aplicações
Podem exigir formatos específicos
Existe código fonte público
Exemplos:
–
–
–
–
–
–
–
Depuração das sequências [LabBase]
Sistema automático de submissão de sequências [LabBase]
Montagem de fragmentos [Phred-Phrap]
Pesquisa de genes [GeneFinder]
Comparação de sequências [FAST, BLAST]
Alinhamento de sequências [ClustalW]
Visualização do mapa do cromossomo / fragmento [AceDB]
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
9
Abordagens de Integração no
Contexto da Biologia Molecular
(Trabalhos Relacionados)
Bio AXS


Via SGBDDH
Via multidatabase
– CPL/Kleisli por P. Buneman, S. Davidson et al.

Via data warehouse
– GIMS por N. Paton, C. Goble et al.

Via mediador
– proposto por P. Karp

Outras formas de integração usadas em biologia
– Via navegação hipertexto entre registros de fontes de
dados

Entrez (NCBI)
– Via sistemas de links entre fontes de dados

SRS (EBI)
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
10
Discussão das Abordagens de
Integração da Biologia
Molecular
Bio AXS
Ferramentas apresentam limitações:
 São pouco flexíveis
– adotam modelo de dados / esquema próprio
– tem dificuldades inerentes à alteração dos esquemas
– não permitem o uso das aplicações disponíveis


Apresentam baixa performance
Não são extensíveis
– não permitem incorporar aplicações existentes
– limitam o uso das fontes de dados envolvidas
– não permitem a instanciação de uma fonte de dados
apropriada a uma pesquisa específica
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
11
Por que a integração via
framework ?
Bio AXS
Definição:
“Um Framework é uma arquitetura abstrata de
software, flexível e extensível, que contém
componentes pré-definidos (frozen spots) e
outros que devem ser instanciados (hot
spots) para a implementação de um
desejado e particular sistema”
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
12
A Solução Proposta
Bio AXS
O framework proposto propicia:
 Flexibilidade, através da
– captura dos esquemas das fontes de dados da biologia
– definição e manutenção de um esquema próprio
– definição de um modelo de dados / ontologia efetivamente
usada nas fontes de dados existentes
– utilização das aplicações disponíveis


Alta performance no acesso aos dados
Extensibilidade, através da
– incorporação de qualquer aplicação existente
– incorporação de qualquer fonte de dados de biologia
– instanciação de uma fonte de dados para uma pesquisa
específica
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
13
A Solução Proposta
Bio AXS
O framework proposto também propicia:
 Tratar a evolução dos esquemas das fontes de
dados
– detecta alteração de esquemas, via agente de
monitoração
– informa ao usuário administrador que houve alteração
– usuário administrador procede a uma nova captura, no
momento adequado => alteração dos esquemas é
assíncrona !

Tratar a evolução dos esquemas específicos
– a qualquer momento, por ação do administrador
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
14
A Solução Proposta
Bio AXS
O framework propicia ainda:
 Tratar a atualização das instâncias de dados
– monitora atualização da fonte de dados
– procede à alteração de forma autônoma
– termina atualização por ação do administrador
O framework é uma solução de integração
mais geral do que as existentes e pode ser
aplicado a outros domínios, desde que
tenham os mesmos requisitos
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
15
Apresentação da Arquitetura
Bio AXS
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
16
Aplicações da Biologia
Usuários
Bio AXS
Aplic.1
Aplic.2
Aplic.3
Administrador
Driver Driver Driver
1
2
3
Modelo da Biologia
Drivers de
Aplicação
Capturador
Conversor (Wrappers)
Wrapper
1
Wrapper
2
Wrapper
3
Fonte 1
Fonte 2
Fonte 3
Fontes de Dados da Biologia
Luiz Fernando Bessa Seibel
Dados
Metadados
Arquitetura do
Framework
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Molecular
17
Funcionalidades
Bio AXS
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
18
Usuário Administrador
Administrador
Bio AXS
Capturador
Conversor (Wrappers)
Metadados
Wrapper
1
Fonte 1
Luiz Fernando Bessa Seibel
Arquitetura do
Framework
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Molecular
19
Funcionalidades
Bio AXS
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
20
• Identifica Objetos
• Relaciona Objetos
• Define Ontologia
Usuário Administrador
Administrador
Bio AXS
Modelo da Biologia
Capturador
Metadados
Arquitetura do
Framework
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
21
Funcionalidades
Bio AXS
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
22
Usuário Administrador
• Seleciona objetos
do modelo
Administrador
Bio AXS
Modelo da Biologia
Capturador
Metadados
Arquitetura do
Framework
Luiz Fernando Bessa Seibel
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23
Funcionalidades
Bio AXS
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
24
Usuário Administrador
Administrador
Bio AXS
Modelo da Biologia
Capturador
Conversor (Wrappers)
Wrapper
1
Wrapper
2
Fonte 1
Fonte 2
Dados
Fontes de Dados da Biologia
Luiz Fernando Bessa Seibel
Metadados
Arquitetura do
Framework
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Molecular
25
Funcionalidades
Bio AXS
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
26
Usuário Administrador
Aplic.1
Administrador
Driver
1
Bio AXS
Drivers de
Aplicação
Capturador
Dados
Metadados
Arquitetura do
Framework
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
27
Funcionalidades
Bio AXS
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
28
Usuário
Administrador
Bio AXS
Capturador
Dados
Metadados
Arquitetura do
Framework
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
29
Funcionalidades
Bio AXS
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
30
Usuário
Administrador
Bio AXS
Modelo da Biologia
Capturador
Dados
Metadados
Arquitetura do
Framework
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
31
Funcionalidades
Bio AXS
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
32
Usuário Administrador
Administrador
Bio AXS
Capturador
Conversor (Wrappers)
Wrapper
1
Wrapper
2
Wrapper
3
Fonte 1
Fonte 2
Fonte 3
Fontes de Dados da Biologia
Luiz Fernando Bessa Seibel
Metadados
Arquitetura do
Framework
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Molecular
33
Funcionalidades
Bio AXS
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
34
Usuário Administrador
Administrador
Bio AXS
Capturador
Conversor (Wrappers)
Wrapper
1
Wrapper
2
Fonte 1
Fonte 2
Dados
Fontes de Dados da Biologia
Luiz Fernando Bessa Seibel
Metadados
Arquitetura do
Framework
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35
Framework
Instanciação de Wrappers
Bio AXS
Luiz Fernando Bessa Seibel
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36
Framework
Instanciação de Drivers
Bio AXS
Luiz Fernando Bessa Seibel
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37
O uso de XML e XML Schema
Bio AXS

XML possui características voltadas para
solução de problemas de bioinformática:
–
–
–
–
–
flexível
orientada à Internet
usada para especificar padrões de dados
pode ser lida por qualquer editor de textos
Usada para troca de informações entre fontes de
dados
– Diversas ferramentas disponíveis
Luiz Fernando Bessa Seibel
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38
O uso de XML e XML Schema
Bio AXS




XML Schema é mais completo para a descrição de
dados XML do que DTD
Existem geradores automáticos de XML Schema a
partir de XML
XML Schema tem as construções necessárias para
descrever esquemas
RDF é aplicado a outro tipo de problema
– XML representa uma estrutura hierárquica cujos nós estão
presentes em um documento
– RDF respresenta um grafo rotulado cujos nós são recursos
que normalmente estão externos ao documento
Luiz Fernando Bessa Seibel
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39
Modelo da Biologia
Bio AXS




OMG apresenta propostas de parte do
modelo da biologia (foco no genoma)
GIMS apresenta proposta incompleta do
modelo da biologia (ex: estruturas de
proteínas)
Modelos consideram aspectos não biológicos
(ex: detalhes implementação - Corba)
Modelos não identificam aspectos
tecnológicos (ex: fragmentos, experimentos
com microarrays, etc.)
Luiz Fernando Bessa Seibel
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40
Modelo Conceitual
Genoma
Bio AXS
Genoma
Operon
Transposon
Profago
ElementoExtraCromossomal
0..*
0..*
Cromossomomo
1
Plasmídeo
DNA_Organelas
1
RegiaoComplexa
0..*
0..1
ProximoAnterior
FragmentoCromossomo
GrupoRegiao
0..1
0..1
0..*
0..*
Regiao
0..*
0..*
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
41
Modelo Conceitual
Genoma
0..*
Bio AXS
0..*
Regiao
0..*
0..*
RegiaoNaoInformativa
RegiaoInformativa
PseudoGene
RepeticaoDireta
Luiz Fernando Bessa Seibel
RegiaoRepetitiva
RepeticaoInversa
Palindromo
RegiaoDesconhecida
RegiaoBaixaComplexidade
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42
Modelo Conceitual
Genoma
Bio AXS
RegiaoInformativa
Transcrito
1
1..*
Exon
1
0..*
Intron
RegiaoNaoTranscrita
1
2
UTR
SequenciaRegulatoria
ElementoCromossomal
1
Componente
UTR5_l
UTR3_l
Promotor
Terminador
Centromero
Telomero
ORI
0..1
0..1
0..*
Variacao
ProximoAnterior
1..*
Luiz Fernando Bessa Seibel
Promotor_l
RBS
Terminador_l
SitioPoliA
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43
Modelo Conceitual
Genoma
0..*
Bio AXS
Variacao
1..*
Contem
Ordem
0..1
1
0..1
ProximoAnterior
mRNA
1
TraduzPara
1
PeptideoPrimario
1
1..*
EhModificado
Proteina
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
44
Modelo Conceitual
Proteoma
Bio AXS
Sitio
0..*
0..*
0..1
EstruturaTerciaria
Interacao
0..1
0..1
0..* Proteina
Familia
0..1
1
0..*
1..*
0..*
1..*
1
0..*
1
EstruturaSecundaria
0..1
0..*
Dominio
0..*
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
45
Comparação entre as
Arquiteturas de Integração
Critérios
Bio AXS




Permitir a formulação de consultas
complexas, via web, também via
interface amigável
Permitir acesso a todas as fontes de
dados
Lidar com o ambiente heterogêneo
Permitir transparência de esquema e
de localização
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
46
Comparação entre as
arquiteturas de integração
Critérios
Bio AXS





Tratar atualização de esquemas e dados
Adotar esquema coerente com os das fontes
de dados
Instanciar fonte específica para uma
pesquisa biológica
Permitir execução de todos os aplicativos
disponíveis
Facilitar entendimento dos objetos
biológicos
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
47
Comparação entre as
arquiteturas de integração
Bio AXS
Ferramenta
Critério
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
SRS
OPM
CPL/Kleisli
K2
GUS
IGD
TAMBIS
GIMS
Bio-AXS
**
Sim
***
**
Não
Não
Não
*
---Não
*
**
*
----
****
Não
**
**
***
Sim
Sim
***
****
Não
*
****
*
***
****
Não
*
***
****
Sim
Sim
*
****
Não
*
****
*
***
****
Não
**
***
****
Sim
Sim
*
****
Não
*
****
*
***
****
Não
**
---**
Sim
Sim
***
****
Não
*
**
*
*
****
Sim
***
---**
Sim
Sim
*
****
Não
*
**
*
*
****
Não
*
***
****
Sim
Sim
*
****
Não
*
****
*
****
****
Não
**
***
****
Sim
Sim
****
***
Não
*
**
*
*
****
Sim
****
****
****
Sim
Sim
****
****
Sim
****
***
****
****
Luiz Fernando Bessa Seibel
Bio AXS: Uma Arquitetura para Integração de
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Molecular
48
Implementação da
Arquitetura Proposta
Bio AXS

Implementada em Java
–
–
–
–

Orientada a Objetos
Portabilidade
Reuso
Interface Web
Persistência via Oracle 9i
– Tipo de dados XMLType
– Consultas: SQL e uso de expressões XPATH
– Índices em elementos XML
Luiz Fernando Bessa Seibel
Bio AXS: Uma Arquitetura para Integração de
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Molecular
49
Implementação da
Arquitetura Proposta
Bio AXS

Implementação dos wrappers
– Swiss-Prot:


Construção do analisador gerando código XML
Geração do esquema (via SPY)
– GenBank:


Uso do analisador READSEQ, que gera código XML
Geração do esquema (via SPY)
– PIR:


Já disponibiliza dados em XML
Geração do esquema (via SPY)
Luiz Fernando Bessa Seibel
Bio AXS: Uma Arquitetura para Integração de
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Molecular
50
Implementação da
Arquitetura Proposta
Bio AXS

Implementação do módulo Administrador
– Construção do aplicativo de integração de
esquemas, definição do esquema próprio e
definição de ontologia, utilizando classe do
Oracle para análise e visualização de esquemas
em XML Schema (Jtree)

Implementação de aplicativos
– Externo: uso do BLAST (Gish)
– Interno: uso do alinhamento ótimo (Meidanis)
Luiz Fernando Bessa Seibel
Bio AXS: Uma Arquitetura para Integração de
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Molecular
51
Contribuições
Bio AXS








Caso 1: Carga de Dados do Swissprot
Caso 2: Construção do Esquema da Biologia
Caso 3: Construção do Esquema Específico
Caso 4: Instanciação do Esquema Específico
Caso 5: Execução do BLAST
Caso 6: Execução do Algoritmo de
Alinhamento
Caso 7: Seleção de Dados
Caso 8: Comparação de Keywords do
Swissprot e PIR
Luiz Fernando Bessa Seibel
Bio AXS: Uma Arquitetura para Integração de
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Molecular
52

Bio AXS
Contribuições


Proposta de integração via framework, que atende aos
requisitos da pesquisa na área de biologia molecular:
– permite acesso a todas as fontes de dados
– permite execução de qualquer aplicação
– atende à performance exigida
– trata atualização de esquemas e dados
– Permite definir e instanciar um esquema específico
Proposta de um esquema conceitual de informações
puramente biológicas sobre o dogma central da biologia
– identificando aspectos tecnológicos
– isento de aspectos de implementação
Luiz Fernando Bessa Seibel
Bio AXS: Uma Arquitetura para Integração de
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Molecular
53

Bio AXS
Contribuições

Construção de um protótipo, que contempla
algumas das funcionalidades necessárias,
demonstrando:
–
–
–
–
–


integração de esquemas e de dados
definição de uma ontologia
execução de aplicativos e de consultas
criação de esquema específico para uma pesquisa
instanciação do esquema específico
Comparação entre as arquiteturas de integração
existentes
Proposta de definição de uma ontologia, que pode
ser confrontada com as existentes
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
54
Trabalhos Publicados
Bio AXS



Seibel L.F.B., Lifschitz S., Lemos M., “Bancos de Dados de
Genoma”,Procs. of the Brasilian Database Simposium
Tutorials, pp 514-553, 2000.
Lifschitz S., Seibel L.F.B., Uchôa E.M.A., “A Framework for
Molecular Biology Data Integration”, Procs. Workshop on
Information Integration on the Web (WIIW), pp 27-34, 2001.
Seibel L.F.B., Lifschitz S., “A Genome Databases Framework”,
Proc. 12th Database and Expert Systems Applications (DEXA),
ed. T. Bench-Capon et all, Springer-Verlag, pp 319-329, 2001.
Luiz Fernando Bessa Seibel
Bio AXS: Uma Arquitetura para Integração de
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Molecular
55
Trabalhos Futuros
Bio AXS

Implementação de novas funcionalidades ao protótipo
–
–
–

Estudos com base no protótipo
–
–


wrappers e aplicações
mediador
ferramenta amigável para consultas
desempenho das consultas à base XML
problemas reais da pesquisa em biologia molecular
Complemento do modelo conceitual da biologia molecular
Geração de descrições lógicas a partir da ontologia gerada,
dotando a ferramenta da capacidade de inferir conhecimento,
para investigação de comportamentos biológicos
Luiz Fernando Bessa Seibel
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Molecular
56