Méthodes avancées pour la résolution du problème de maximum parcimonie

Advanced methods to solve the maximum parsimony problem

• Auteur / Autrice : Karla Esmeralda Vazquez Ortiz
• Direction : David Lesaint
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et applications
• Date : Soutenance le 14/06/2016
• Etablissement(s) : Angers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et mathématiques (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etudes et de Recherche en Informatique d'Angers - Laboratoire d'Etudes et de Recherche en Informatique d'Angers
• Jury : Président / Présidente : Christine Sinoquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Schiex
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cyril Fonlupt, El-Ghazali Talbi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Représentation parcimonieuse

Recuit simulé (mathématiques)

Optimisation combinatoire

Mots clés libres

Reconstruction phylogénétique

Parcimonie maximum

Optimisation combinatoire

Recuit Simulé

Phylogenetics

Maximum parsimony

Combinatorial optimization

Simulated annealing

Résumé

La reconstruction phylogénétique est considérée comme un élément central de divers domaines comme l’écologie, la biologie et la physiologie moléculaire pour lesquels les relations généalogiques entre séquences d’espèces ou de gènes, représentées sous forme d’arbres, peuvent apporter des éclairages significatifs à la compréhension de phénomènes biologiques. Le problème de Maximum de Parcimonie est une approche importante pour résoudre la reconstruction phylogénétique en se basant sur un critère d’optimalité pour lequel l’arbre comprenant le moins de mutations est préféré. Dans cette thèse nous proposons différentes méthodes pour s’attaquer à la nature combinatoire de ce problème NP-complet. Premièrement, nous présentons un algorithme de Recuit Simulé compétitif qui nous a permis de trouver des solutions de meilleure qualité pour un ensemble de problèmes. Deuxièmement, nous proposons une nouvelle technique de Path-Relinking qui semble intéressante pour comparer des arbres mais pas pour trouver des solutions de meilleure qualité. Troisièmement, nous donnons le code d’une implantation sur GPU de la fonction objectif dont l’intérêt est de réduire le temps d’exécution de la recherche pour des instances dont la longueur des séquences est importante. Finalement, nous introduisons un prédicteur capable d’estimer le score optimum pour un vaste ensemble d’instances avec une très grande précision.

Phylogenetic reconstruction is considered a central underpinning of diverse fields like ecology, molecular biology and physiology where genealogical relationships of species or gene sequences represented as trees can provide the most meaningful insights into biology. Maximum Parsimony (MP) is an important approach to solve the phylogenetic reconstruction based on an optimality criterion under which the tree that minimizes the total number of genetic transformations is preferred. In this thesis we propose different methods to cope with the combinatorial nature of this NP-complete problem. First we present a competitive Simulated Annealing algorithm which helped us find trees of better parsimony score than the ones that were known for a set of instances. Second, we propose a Path-Relinking technique that appears to be suitable for tree comparison but not for finding trees of better quality. Third, we give a GPU implementation of the objective function of the problem that can reduce the runtime for instances that have an important number of residues per taxon. Finally, we introduce a predictor that is able to estimate the best parsimony score of a huge set of instances with a high accuracy.