title: Scientific Workflows für die metabolische Stoffflussanalyse
title: Scientific Workflows for Metabolic Flux Analysis
Creators: name: Dalman, Tolga
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Data processing, Computer science
Informatik
Cloud Computing
Systembiologie , Arbeitsablaufplanung
web services
cloud computing
Software
metabolic flux analysis
scientific workflows

description: Metabolic Engineering ist eine
      hochgradig interdisziplinäre Wissenschaftsdomäne, welche
      Biologie, Mathematik, Informatik und Ingenieurswissenschaften
      miteinander verknüpft. Metabolische Stoffflussanalyse mit 13
      C markierten Isotopen (13 C-SFA) ist eine besonders
      herausfordernde Metabolic Engineering Anwendung, die aus
      vielen miteinander eng verwobenen Bausteinen besteht, wie
      etwa Modellierung, Simulation und Versuchsplanung. Obwohl
      eine Vielzahl universeller Workflow Lösungen zur Realisierung
      komplexer wissenschaftlicher Anwendungen in den vergangenen
      Jahren entwickelt wurden, ist die Übertragung dieser Ansätze
      auf 13C-SFA Workflows nur teilweise möglich. Während Probleme
      in anderen Wissenschaftszweigen (wie etwa der Bioinformatik)
      vornehmlich mit Datenprozessierung zu tun haben, sind 13C-SFA
      Workflows eher mit Business Workflows vergleichbar.
      Beispielsweise sind viele Bioinformatik Workflows derart
      gestaltet, dass Genomsequenzen mittels "pipelining" durch
      Standardwerkzeuge wie BLAST identifiziert, verglichen und
      annotiert werden. Typischerweise kann der nächste Workflow
      Schritt in der "pipeline" automatisch durch das Ergebnis des
      vorangegangenen Schrittes ermittelt werden. Fünf
      rechenbetonte Herausforderungen wurden im Bemühen um 13C-SFA
      Studien durchzuführen identifiziert: Organisation heterogener
      Daten, Standardisierung von Prozessen sowie die
      Vereinheitlichung von Werkzeugen und Daten, interaktive
      Workflow Steuerung, verteiltes Rechnen und Service
      Orientierung. Das Ergebnis dieser Dissertation ist ein
      Scientific Workflow Framework (SWF), das auf die spezifischen
      Anforderungen von 13C-SFA Anwendungen zugeschnitten ist. Der
      hier präsentierte Ansatz – nämlich das SWF als eine Sammlung
      von miteinander lose gekoppelten Modulen zu gestalten, die
      mittels Web Services miteinander interagieren – erleichtert
      mit einigen Besonderheiten die Umsetzung von 13C-SFA
      Workflows. Bestehende Werkzeuge sind in das SWF durch Web
      Service Schnittstellen sowie Programmiersprachenanbindungen
      angebunden (z.B. an Java oder Python). Obwohl die Attribute
      "einfache Handhabung" und "Universalität" nur selten in
      Zusammenhang mit verteiltem Rechnen gebracht wird, zeigen die
      vorgestellten Anwendungsfälle, dass der Einsatz des
      vorgeschlagenen Hadoop MapReduce Frameworks die Umsetzung von
      rechenintensiven Simulationen auf Cloud und Cluster Computing
      Ressourcen vereinfacht. Ein wichtiger Baustein um
      interaktive, Wissenschaftler-affine Workflows zu ermöglichen
      ist die Fähigkeit, alle Daten zu beobachten, die notwendig
      sind um einen Workflow zu verstehen und zu reproduzieren. Die
      Standardisierung von 13 C-SFA Studien mittels einer Vorlage
      für eine Ordnerstruktur und den dazugehörigen Web Services
      und Schnittstellen verbessert den Austausch von Informationen
      mit anderen Wissenschaftlern. Schließlich wurden im Rahmen
      dieser Arbeit eine Vielzahl von Zusatzprogrammen entwickelt,
      welche die eigentlichen SWF Module komplementieren. Diese
      reichen von einfachen Hilfsskripten bis hin zu
      Visualisierungs- und Datenkonvertierungsprogrammen. Die in
      dieser Arbeit vorgestellte Lösung unterscheidet sich von
      anderen Scientific Workflow Ansätzen durch ein System von
      lose gekoppelten Komponenten, die flexibel angeordnet sind,
      um den typischen Anforderungen in der Metabolic Engineering
      Domäne gerecht zu werden. Die moderne Softwarearchitektur und
      Service-orientierung des SWF erleichtern die Entwicklung
      neuer Anwendungen durch das Zusammenstellen und die
      Wiederverwendung bereits existierender Komponenten.
description: Metabolic engineering is a highly
      interdisciplinary research domain that interfaces biology,
      mathematics, computer science, and engineering. Metabolic
      flux analysis with carbon tracer experiments (13 C-MFA) is a
      particularly challenging metabolic engineering application
      that consists of several tightly interwoven building blocks
      such as modeling, simulation, and experimental design. While
      several general-purpose workflow solutions have emerged in
      recent years to support the realization of complex scientific
      applications, the transferability of these approaches are
      only partially applicable to 13C-MFA workflows. While
      problems in other research fields (e.g., bioinformatics) are
      primarily centered around scientific data processing, 13C-MFA
      workflows have more in common with business workflows. For
      instance, many bioinformatics workflows are designed to
      identify, compare, and annotate genomic sequences by
      "pipelining" them through standard tools like BLAST.
      Typically, the next workflow task in the pipeline can be
      automatically determined by the outcome of the previous step.
      Five computational challenges have been identified in the
      endeavor of conducting 13 C-MFA studies: organization of
      heterogeneous data, standardization of processes and the
      unification of tools and data, interactive workflow steering,
      distributed computing, and service orientation. The outcome
      of this thesis is a scientific workflow framework (SWF) that
      is custom-tailored for the specific requirements of 13 C-MFA
      applications. The proposed approach – namely, designing the
      SWF as a collection of loosely-coupled modules that are glued
      together with web services – alleviates the realization of
      13C-MFA workflows by offering several features. By design,
      existing tools are integrated into the SWF using web service
      interfaces and foreign programming language bindings (e.g.,
      Java or Python). Although the attributes "easy-to-use" and
      "general-purpose" are rarely associated with distributed
      computing software, the presented use cases show that the
      proposed Hadoop MapReduce framework eases the deployment of
      computationally demanding simulations on cloud and cluster
      computing resources. An important building block for allowing
      interactive researcher-driven workflows is the ability to
      track all data that is needed to understand and reproduce a
      workflow. The standardization of 13 C-MFA studies using a
      folder structure template and the corresponding services and
      web interfaces improves the exchange of information for a
      group of researchers. Finally, several auxiliary tools are
      developed in the course of this work to complement the SWF
      modules, i.e., ranging from simple helper scripts to
      visualization or data conversion programs. This solution
      distinguishes itself from other scientific workflow
      approaches by offering a system of loosely-coupled components
      that are flexibly arranged to match the typical requirements
      in the metabolic engineering domain. Being a modern and
      service-oriented software framework, new applications are
      easily composed by reusing existing components.