Formalización de Protocolos
de Laboratorio Usando
Tecnologías Semánticas
Olga Ximena Giraldo Pasmín
Supervisor:
Oscar Corc...
Tabla de Contenido
• Conceptos básicos, problema, estado del arte y preguntas
de investigación.
• Nuestra propuesta
• Resu...
Conceptos básicos,
Problema,
Estado del arte y
Preguntas de investigación
Método Científico
“un método o procedimiento que ha caracterizado a la ciencia
natural desde el siglo XVII, que consiste e...
Repetibilidad
Mismo investigador,
Iguales condiciones
experimentales.
Iguales resultados
Reproducibilidad
Factores que Influyen en la Reproducibilidad
http://migratingpoetics.wordpress.com/2013/02/
Precisión
¿Qué es un Protocolo de Laboratorio?
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Problemas en Protocolos de Laboratorio
• Incubate the centrifuge tubes
in a water bath.
•Incubate the samples for 5 min
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Objetivo
Los protocolos deberían ser
descritos de forma precisa y
con suficiente detalle.
• Para que puedan ser replicados...
Enfoques Existentes
MIBBI mantiene checklists que promueven cómo reportar un experimento.
OBI modela el diseño de una
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Pregunta General de Investigación
¿Cómo estandarizar la representación de protocolos
experimentales por medio del
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Preguntas Específicas
1. ¿Cuál es la mínima cantidad de información,
ontológicamente valida, necesaria para reportar un
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Propuesta
Nuestra Propuesta
SMART Protocols
SeMAntic RepresenTation for Protocols (SMART
Protocols).
Estructura ontológica que nos ayuda a representar...
Análisis de Protocolos de Laboratorio
Repositorio No. de Protocolos
Biotechniques 8
CSH protocols 11
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Mínima Información para Reportar un Protocolo
Disponible en: goo.gl/gAVnn
Mínima Información Validada por Expertos de Dominio
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Strain or line Developmental
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Organism part
(tissue)
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Procesos Típicos en Biotecnología de Plantas
http://spie.org/Images/Graphics/Newsroom/Imported-2011/003464/003464_10_fig1....
Ontologías Diseñadas
Desarrollo de Ontologías
NeOn Methodology
Especificación de Ontologías
• Dominio que cubre las ontologías. Biotecnología de plantas.
• ¿Para qué se emplearán las on...
Preguntas de Competencia
1. ¿Quién es el autor (autores) de un protocolo particular?
2. ¿De dónde fue adaptado el protocol...
Conceptualización y Categorización de Términos
Términos Reusados
Recurso No. de términos Recurso No. de términos
OBI 15 P-Plan 3
NCIthesaurus 9 NPO 3
CHEBI 7 EXACT 2
IAO...
Términos Nuevos y Enfoque de las Ontologías
Ontología No. de clases No. de propiedades
SMART Protocols-Document 60 7
SMART...
¿Qué Soporta las Ontologías SMART Protocols?
Disponible en: http://smartprotocols.org/drupal/
sp= smart protocols, iao= in...
Caso de Uso 1
sp= smart protocols, ro= relation ontology
SMART Protocols-Workflow
Disponible en: http://smartprotocols.org/drupal/
sp= smart protocols, p-plan= p-plan ontology
Caso de Uso 2
sp= smart protocols, p-plan= p-plan ontology
Lenguaje y Editor Usado para el Diseño de Ontologías
• OWL permite representar los términos y las relaciones entre ellos d...
Evaluación de las Ontologías
• El objetivo:
Qué define la ontología y la precisión de las definiciones.
• Metodología (Gom...
Conclusiones
Conclusiones
1. Se identificó un conjunto de metadatos que facilitan la captura de información
necesaria y suficiente para...
Trabajo Presentado en…
Trabajo Futuro
Trabajo Futuro
1. Continuar con el análisis semántico.
Instrucción Término ambiguo Desambiguación
“Grow the plants under s...
“Los datos, sin información que indique cómo fueron generados y cómo
generarlos nuevamente, son poco útiles”
(Thompson, Gr...
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  • Para darrespuesta a estaspreguntas de investigación, estetrabajo se propuso
  • La puesta en marcha de esapropuestainició con el análisis….
  • En algunoscasosmetadatosquefueronfrecuentementeregistrados en los protocolosanalizados, tambienfueronconsideradosrelevantespor los investigadores.Sin embargo hubocasos en los que los investigadoresconsideraronquehabiainformacionquedeberiasuministrarseperoestainformacionescasamente se registró en los protocolosanalizados.
  • IAO: representadiferentesentidadesinformativasP-plan: representa planes queguian la ejecucion de procesosexperimentales.
  • Estaontologíatambiénconsideraquecadapaso del protocoloesejecutado de maneraordenada.
  • Consistencia en los terminos. En cadafase del ciclo de desarrollo se utilizó el marco de chequeoqueprovee el editor Protégé-OWL. Estafuncionalidadpermitió corregirinconsistenciassintácticas. Completitud: se asumequelasontologías son en principio incompletas. Sin embargo, la completitudpuedeserevaluadadentro del contextopara lo cual la ontologíava a serusada. Concisión: unaontologíaesconcisasi la misma no almacenaconocimientoinnecesario, nidefinicionesredundantes.Ambas ontologías heredan la estructura provista por BFO y son extensiones de ontologías (IAO y P-Plan) por lo tanto son compatibles con ontologías de dominio.
  • Semantic Formalization of Laboratory Protocols

    1. 1. Formalización de Protocolos de Laboratorio Usando Tecnologías Semánticas Olga Ximena Giraldo Pasmín Supervisor: Oscar Corcho, PhD Co-supervisor: Alexander García, PhD
    2. 2. Tabla de Contenido • Conceptos básicos, problema, estado del arte y preguntas de investigación. • Nuestra propuesta • Resultados • Conclusiones • Trabajo futuro
    3. 3. Conceptos básicos, Problema, Estado del arte y Preguntas de investigación
    4. 4. Método Científico “un método o procedimiento que ha caracterizado a la ciencia natural desde el siglo XVII, que consiste en la observación sistemática, medición, experimentación, formulación, análisis y modificación de las hipótesis” Oxford English Dictionary - entrada para scientific.
    5. 5. Repetibilidad Mismo investigador, Iguales condiciones experimentales. Iguales resultados
    6. 6. Reproducibilidad
    7. 7. Factores que Influyen en la Reproducibilidad http://migratingpoetics.wordpress.com/2013/02/ Precisión
    8. 8. ¿Qué es un Protocolo de Laboratorio? has has has has has has hashas
    9. 9. Problemas en Protocolos de Laboratorio • Incubate the centrifuge tubes in a water bath. •Incubate the samples for 5 min with gentle shaking. • Rinse DNA briefly in 1-2 ml of wash. •Incubate at -20C overnight. Protocol
    10. 10. Objetivo Los protocolos deberían ser descritos de forma precisa y con suficiente detalle. • Para que puedan ser replicados por humanos y/o por maquinas.
    11. 11. Enfoques Existentes MIBBI mantiene checklists que promueven cómo reportar un experimento. OBI modela el diseño de una investigación. Incluyendo protocolos, instrumentación, materiales y datos generados. EXPO formaliza conocimiento acerca de la organización, ejecución y análisis de experimentos científicos. EXPO EXACT EXACT proporciona un modelo para la descripción de acciones experimentales.
    12. 12. Pregunta General de Investigación ¿Cómo estandarizar la representación de protocolos experimentales por medio del uso de tecnologías semánticas?
    13. 13. Preguntas Específicas 1. ¿Cuál es la mínima cantidad de información, ontológicamente valida, necesaria para reportar un protocolo experimental? 2. ¿Cuál es la estructura ontológica que facilitaría la representación formal de un protocolo experimental como documento y como elemento ejecutable?
    14. 14. Propuesta Nuestra Propuesta
    15. 15. SMART Protocols SeMAntic RepresenTation for Protocols (SMART Protocols). Estructura ontológica que nos ayuda a representar protocolos de laboratorio en biotecnología de plantas.
    16. 16. Análisis de Protocolos de Laboratorio Repositorio No. de Protocolos Biotechniques 8 CSH protocols 11 Current protocols 25 GMR 5 Jove 21 Protocol exchange 12 Plant methods 10 Plos One 3 Springer protocols 5 Total 100
    17. 17. Mínima Información para Reportar un Protocolo Disponible en: goo.gl/gAVnn
    18. 18. Mínima Información Validada por Expertos de Dominio 0 50 100 Strain or line Developmental stage Organism part (tissue) Growth conditions treatment type volume/mass of sample Sample Metadata Domain experts repositories 0 50 100 Purpose Provenance of the protocol Applications of the protocol Comparison with other protocols Limitations Introduction Section Metadata Domain experts repositories 0 50 100 Name Manufacturer catalog number Laboratory Consumables or Supplies Metadata Domain experts repositories 0 50 100 Alternative steps Critical steps Pause point Timing Hints Troubleshooting Protocol Metadata Domain experts repositories 0 50 100 Software name Software version Software Metadata Domain experts repositories
    19. 19. Procesos Típicos en Biotecnología de Plantas http://spie.org/Images/Graphics/Newsroom/Imported-2011/003464/003464_10_fig1.jpg Extracción de ADN PCR Electroforesis
    20. 20. Ontologías Diseñadas
    21. 21. Desarrollo de Ontologías NeOn Methodology
    22. 22. Especificación de Ontologías • Dominio que cubre las ontologías. Biotecnología de plantas. • ¿Para qué se emplearán las ontologías?.  SMART Protocols-Document : provee un conjunto de metadatos para reportar un protocolo experimental.  SMART Protocols-Workflow: está diseñada para representar la ejecución de dichos protocolos. • Granularidad de las ontologías.  Análisis de protocolos  Se diseñaron casos de uso se plantearon preguntas de competencia.
    23. 23. Preguntas de Competencia 1. ¿Quién es el autor (autores) de un protocolo particular? 2. ¿De dónde fue adaptado el protocolo “x”? 3. ¿Cuáles son las limitaciones que presenta el protocolo “y”? 4. ¿Cuál es el propósito de un protocolo particular? 5. ¿Cuál es la muestra usada en un protocolo “x”? 6. ¿Qué reactivos, equipos y demás insumos son usados en un protocolo “y”? 7. ¿Cuál es el fabricante, número de identificación y nombre de un kit? 8. ¿Cuáles son los pasos básicos de una extracción, amplificación y separación de ácidos nucleícos?
    24. 24. Conceptualización y Categorización de Términos
    25. 25. Términos Reusados Recurso No. de términos Recurso No. de términos OBI 15 P-Plan 3 NCIthesaurus 9 NPO 3 CHEBI 7 EXACT 2 IAO 7 SO 2 MGEDOntology 3 MeSH 1 • Clases reutilizadas • Propiedades reutilizadas Propiedad Origen Reusada en isManufacturedBy OBI SMART Protocols-Document hasInputVar P-Plan SMART Protocols-Workflow hasOutputVar P-Plan SMART Protocols-Workflow isStepOfPlan P-Plan SMART Protocols-Workflow
    26. 26. Términos Nuevos y Enfoque de las Ontologías Ontología No. de clases No. de propiedades SMART Protocols-Document 60 7 SMART Protocols-Workflow 44 1 Total 104 8 • Términos nuevos • Enfoque “population”
    27. 27. ¿Qué Soporta las Ontologías SMART Protocols? Disponible en: http://smartprotocols.org/drupal/ sp= smart protocols, iao= information artifact ontology, ro= relation ontology
    28. 28. Caso de Uso 1 sp= smart protocols, ro= relation ontology
    29. 29. SMART Protocols-Workflow Disponible en: http://smartprotocols.org/drupal/ sp= smart protocols, p-plan= p-plan ontology
    30. 30. Caso de Uso 2 sp= smart protocols, p-plan= p-plan ontology
    31. 31. Lenguaje y Editor Usado para el Diseño de Ontologías • OWL permite representar los términos y las relaciones entre ellos de manera que sean fácilmente procesables por aplicaciones informáticas. • OWL es un lenguaje compatible con los actuales estándares utilizados en la Web. • Es un sistema de código abierto, • permanece en constante mantenimiento y evolución, y • su interfaz de usuario es simple y fácil de usar.
    32. 32. Evaluación de las Ontologías • El objetivo: Qué define la ontología y la precisión de las definiciones. • Metodología (Gomez-Perez, et al, 1995) • Consistencia Editor protege  Ontology Pitfall Scanner (OOPS!) • Completitud se seleccionó el sub-lenguaje OWL-DL, el cual permite máxima expresividad sin perder la completitud computacional • Concisión  no almacena conocimiento innecesario ni definiciones redundantes.
    33. 33. Conclusiones
    34. 34. Conclusiones 1. Se identificó un conjunto de metadatos que facilitan la captura de información necesaria y suficiente para reportar un experimento. 2. La validación de datos se hizo con la participación de expertos de dominio. La interacción con expertos de dominio permitió conocer su preocupación acerca de la pobre información que presentan algunos protocolos en biología de plantas. 3. Se identificaron los pasos básicos de procedimientos experimentales comúnmente usados en biotecnología de plantas. 4. Se propuso una estructura ontológica, SMART Protocols, compuesta por dos módulos: SMART Protocols-Document y SMART Protocols-Workflow. 5. Para el desarrollo de éstas ontologías, se hizo especial énfasis en el aspecto metodológico. Esta investigación retoma elementos de NeOn Methodology. Además, se siguen las buenas prácticas sugeridas por el proyecto OBO. 6. Este trabajo se centró en plantear una alternativa que ayude al investigador a recorrer el camino que conduzca a la reproducibilidad de un experimento.
    35. 35. Trabajo Presentado en…
    36. 36. Trabajo Futuro
    37. 37. Trabajo Futuro 1. Continuar con el análisis semántico. Instrucción Término ambiguo Desambiguación “Grow the plants under short day conditions” short day conditions 8 horas de luz “Store the plants overnight at 4°C” overnight 8 -10 horas “Store the samples at room temperature” Room temperature 20 – 25°C 2. Identificar colocaciones léxicas en instrucciones o actividades encontradas en protocolos de laboratorio. • “Store the samples at room temperature” • “Grow the plants under short day conditions” 3. Enriquecimiento de ontologías existentes. • P-plan, EXACT, MUO (Measurement Unit Ontology). 4. Crear o reutilizar un sistema basado en reglas. Que facilite la recuperación automática de pasos básicos de instrucciones experimentales y de información requerida para reportar un protocolo de laboratorio. 5. Validar la información recuperada. Esta actividad permitirá determinar la fiabilidad del sistema de recuperación de información.
    38. 38. “Los datos, sin información que indique cómo fueron generados y cómo generarlos nuevamente, son poco útiles” (Thompson, Grethe, Berger, & Xie, 2001). Gracias!!!

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