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1 www.consorzio-cometa.it Consorzio COMETA - Progetto PI2S2 UNIONE EUROPEA Applicazioni del Progetto PI2S2 (Parte 2 a : Bioinformaticatica, Biomedicina, Informatica e Matematica)‏ Prof. Santo Motta Università di Catania Grid Open Day dell'Università di Messina‏ Messina, 17-18.06.2008

2 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 2 Sommario Introduzione Bioinformatica  BioInformatica per l’Agricoltura  Biologia Computazionale  BioInformatica per Genomica e Proteomica  BioInformatica e Medicina Clinica  BioInformatica ed Ambiente Informatica  Esperienze di Integrazione di Strutture Grid Matematica  Le congetture Matematiche e il GRID computing

3 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 3 Principali campi di applicazione Ambiente Biologia Computazionale Agricoltura Bioinformatica Biomedicina Matematica Sviluppo e ricerca sulla Grid

4 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 DISTRIBUZIONE GEOGRAFICA 4 Palermo Catania Messina

5 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 AGRICOLTURA I benefici della Grid sulla Agricoltura Siciliana possono essere notevoli. Il contributo del gruppo di Catania mette le basi per lo sviluppo di una applicazione con notevole ricaduta territoriale 5 AGRICOLTURA

6 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 6 GRID a Bio-Informatic Tool in Plant Virology Investigations Alessandro Lombardo 1,2, Gaetano Lanzalone 1,3, Annamaria Muoio 1, Marcello Iacono-Manno 1 1 INFN Sezione di Catania and Consorzio COMETA Catania IT 2 Dipartimento di Scienze e Tecnologie Fitosanitarie Catania IT 3 INFN LNS Catania IT Tematica: Implementazione Grid di Strumenti Bioinformatici per l’analisi virologica nelle piante CMV (Cucumber mosaic virus)‏

7 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 7 GRID a Bio-Informatic Tool in Plant Virology Investigations Utilità: Utilità: L’uso della GRID consente una analisi più rapida dei dati, migliora l’accuratezza dei risultati e l’utilizzabilità. Applicazione importante: Applicazione importante: Virus Tristeza degli agrumi

8 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 Biologia Computazionale 8 La biologia computazionale permette di simulare il comportamento dei complessi sistemi biologici e prevedere l’effetto di azioni terapeutiche. Il gruppo di Catania ha utilizzato le risorse GRID di PI2S2 per modellare la difesa immunitaria in patologie rilevanti (tumori e atherosclerosi) in popolazioni di cavie virtuali o pazienti virtuali. Biologia Computazionale

9 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 Biologia Computazionale 9 I modelli accelerano il processo di scoperta del farmaco individuando in silico gli esperimenti preclinici con maggiore probabilità di successo dai quali iniziare la sperimentazione in vivo S. Motta, F. Pappalardo, E. Mastriani*, M. Pennisi Dip. Matematica e Informatica, Univ. Catania *Consorzio Cometa Tematica: Modelli della risposta immunitaria: vaccini anti-tumorali; atherogenesi. Utilità: L’utilizzo della struttura GRID permette di affrontare più efficacemente lo studio dei modelli di trattamenti terapeutici. UntreatedVaccinated

10 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 Biologia Computazionale 10 1.Efficacia di un vaccino antitumorale simulata per diversi protocolli su una popolazione di topi virtuali → 1.Rischio di formazione di placche aterosclerotiche per una popolazione virtuale di pazienti ipercolestoremici →

11 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 Biologia Computazionale 11 G. Cottone, DSFA UNIPA, L. Maragliano, University of Chicago, G.Ciccotti, Roma La Sapienza, E. Vanden-Eijnden, NYU Tematica: Sviluppo ed applicazione di tecniche numeriche per la simulazione di sistemi biomolecola-solvente Applicazione: diffusione del monossido di carbonio (CO) all'interno della mioglobina (Mb). Scala temporale: ns-  s La Grid permette di eseguire le simulazioni su scale temporali maggiori dei nanosecondi

12 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 BIOINFORMATICA L’analisi delle sequenze genomiche e delle proteine richiede buoni algoritmi e potenza di calcolo distribuita. Gruppi delle Università di Palermo e Catania sono fortemente impegnati in questa attività con un forte utilizzo delle risorse di Grid. 12BIOINFORMATICA

13 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 13 BioInformatica per la Genomica e Proteinomica Gruppo di Bioinformatica Dipartimento di Matematica ed Applicazioni, Palermo University Ricercatori dell’Ateneo: V. Di Gesù, R. Giancarlo‏, S. Mantaci, A Restivo, M Sciortino Studenti di Dottorato: V. Greco, L.Pinello, G. Rosone, F. Utro Senior Research: G. Lo Bosco Research Associate: D. Scaturro

14 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 14 BioInformatica per la Genomica e Proteinomica Tematiche generali della Ricerca Algoritmi per ricerca di Pattern in: a) Strutture Discrete b) Microarray chips Algoritmi per l’Analisi e la Classificazione di Sequenze Biologiche e di Strutture. RISULTATI E PRODOTTI SOFTWARE Universal Similarity Metric (USM): un nuovo concetto per la similarità tra sequenze, basato sulla compressione testuale. USM è flessibile, robusto, scalabile e competitivo con I metodi esistenti. A causa della grande mole di dati coinvolti nella classificazione il metodo è lento su computer tradizionali.

15 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 15 BioInformatica per la Genomica e Proteinomica 2) GRID-K: un metodo di classificazione di sequenze biologiche e strutture basato sulla compressione. Il metodo è naturalmente orientato ad essere facilmente distribuito su diversi processori ed è quindi ideale per applicazioni sulla GRID. Questo permette di utilizzare il paradigma della GRID per un forte utilizzo della Grid per i lavori di classificazioni in bioinformatica. Un prototipo di Web-service è disponibile sul portale GENIUS ( https://infn-ui-01.ct.pi2s2.it )‏https://infn-ui-01.ct.pi2s2.it

16 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 16 BioInformatica per la Genomica e Proteinomica 3) Parallel-Multi Layer Model (P-MLM): to analyze microarray data. Applicazione Biologica: Un algoritmo per gli studi in proteinomica e l’analisi dei dati dei microarray. Algoritmo Naturalmente Parallelo. Prototipo in corso di implementazione. 4) BWSM: Una classe di Misure di Similarità alignment-free basate sulla trasformata di Burrows-Wheeler Biological Application: Applicata con successo per la costruzione di alberi filogeneici da insiemi di dati reali. Algoritmo parallelizzabile. Prototipo in corso di implementazione.

17 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 17 BioInformatica per la Genomica e Proteinomica Gruppo di Bioinformatica Dipartimento di Matematica ed Informatica, Università Catania Prof. Alfredo Ferro, Dr. Rosalba Giugno, Dr. Alfredo Pulvirenti, Alessandro Lagana Tematica: Allineamenti di Multisequenze su Grid computing Applicazione: Ricerca Medica

18 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 BIOMEDICINA Le applicazioni in Biomedicina nell’ambito di PI2S2 rappresentano uno sforzo di trasferimento tecnologico verso le Scienze della vita. La tecnologia GRID viene anche proposta come uno strumento di lavoro e collaborazione tra ricerca e clinica. 18 BIOMEDICINA

19 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 19 BIOMEDICINA: GAMMA KNIFE SIMULATION Barbera Roberto, Cuttone Giacomo, Giorgio Emidio, Romano Francesco, Foroni Roberto, Russo Giorgio and Sabini Maria Gabriella Tematica: La tecnologia GRID per la validazione della Pianificazione dei trattamenti mediante il metodo Monte Carlo. Applicazione: Simulazione della Elekta Gamma Knife unit, uno strumento radio-chirurgico utilizzato per trattare le malattie mentali. La simulazione della complessa geometria dello strumento e le differenti configurazioni utilizzate nelle applicazioni cliniche richiedono, per essere accurate, un notevole tempo di calcolo che può essere ridotto mediante l’utilizzo della GRID.

20 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 20 BIOMEDICINA: BIO MED PORTAL L. Torterolo, L. Corradi, B. Canesi, M. Fato, R. Barbera, S. Scifo, A. Calanducci, D. Scardaci, G. Scuderi, S. Parisi Tematica: Un nuovo Paradigma per Disegnare, Implementare e Rilasciare una Applicazione GRID Oriented Applicazione: Il Portale Bio Med (BM), una applicazione GRID per promuovere la collaborazione e cooperazione di ricercatori e gruppi di ricerca nell’area Sanitaria. Il Portale permette l’uso remoto di risorse integrate nei servizi messi in atto da una piattaforma software complessa che costituisce un laboratorio virtuale.

21 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 MODELLI MATEMATICI IN MEDICINA 21 Le scienze della Vita pongono alla matematica applicata problemi complessi che per essere risolti richiedono risorse di calcolo numerico normalmente non accessibili. Il problema della attività elettrica del cuore affrontato presso l’Università di Catania rappresenta un esempio di una ampia classe di problemi che, pur essendo formulabili in termini matematici, richiedono la tecnologia Grid per ottenere una soluzione.

22 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 22 MODELLI MATEMATICI IN MEDICINA S. Boscarino, P. Colli Franzone, M. Munteanu, L. Pavarino and G. Russo Tematica: Metodi IMEX Runge-Kutta di ordine elevato per la soluzione di equazion di Reazione-Diffusione. Applicazione: in Electro-Cardiologia e elettrofisiologia per riprodurre la attività bioelettrica del cuore.

23 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 BioInformatica ed Ambiente23 L’analisi computazionale dei composti chimici inquinanti richiede una elevata capacità di calcolo. Il gruppo di Chimica dell’Ambiente dell’Università di Catania che nel passato ha utilizzato risorse HPC esterne ha beneficiato delle risorse GRID

24 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 24 BioInformatica ed Ambiente V. Librando, A. Alparone and Z. Minniti - Dip. Chimica, Univ. Catania Tematica: Studio della attività Mutagenica del Nitro-polycyclic Aromatic Hydrocarbons Utilità: L’utilizzo della struttura GRID permette di affrontare più efficacemente lo studio di questi composti chimici che rappresentano inquinanti gassosi persistenti con effetti cancerogeni. Tali inquinanti sono anche stati trovati nella catena alimentare.

25 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 SVILUPPO Applicazioni GRID E’ indubbio che il successo del paradigma della GRID è legato alla possibilità di integrare in modo virtuale un grandissimo numero di risorse di calcolo. Questo permetterà di accedere alla risorsa di calcolo indipendentemente dalla momentanea non disponibilità di alcuni nodi. L’esperienza fatta dal Gruppo dell’Università di Catania ha permesso di vedere la GRID di PI2S2 come risorsa per calcoli di immunologia computazionale distribuiti. 25

26 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 26 E. Mastriani, MD.Halling-Brown, A. Shepherd and S. Motta Tematica: Integrazione di piattaforme GRID su scala geografica Applicazione: Integrazione della piattaforma PI2S2 nella applicazione basata su web-server utilizzata nel progetto ImmunoGrid. La GRID di PI2S2 è stata integrata nella piattaforma di un progetto europeo per lo studio della risposta immunitaria. Nel corso di un test (proof of concept) migliaia di protocolli di vaccinazione sono stati testati in silico nell’ambiente distribuito formato dalla Grid di PI2S2 e da altre infrastrutture in Europa e negli USA. SVILUPPO Applicazioni GRID

27 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 27 SVILUPPO Applicazioni GRID

28 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 MATEMATICA La matematica è una scienza dove spesso le congetture sostituiscono le dimostrazioni. La congettura di Collatz è stata formulata nel 1937 ed è ancora non risolta. La Grid è lo strumento di calcolo che la ricerca matematica sta iniziando ad utilizzare per verificare numericamente le congetture. 28 MATEMATICA

29 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 29 La Congettura di Collatz G. Scollo Dipartimento di Matematica e Informatica Università di Catania Tematica: Analisi della Congettura di Collatz La Applicazione GRID: Un nuovo algoritmo di ottimizzazione e l’utilizzo della GRID ha permesso di esplorare in 8 mesi un spazio di soluzioni cinque volte più grande di quello esaminato nei sette anni precedenti esaminado tutti I valori numerici sino a 10 58

30 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 La Congettura di Collatz Applicazioni pratiche:  modello per applicazioni sui sistemi dinamici, ad es. le fluttuazioni dei mercati finanziari;  Utilizzata per fini educativi nell’ingegneria del software e nella ottimizzazione 30

31 Messina, Grid Open Day dell'Università, 17-16 giugno 2008 31 Grazie !