Mostrando entradas con la etiqueta wheeler. Mostrar todas las entradas
Mostrando entradas con la etiqueta wheeler. Mostrar todas las entradas

31 de julio de 2026

Pruebo minibwa

Seguro que mapeáis lecturas cortas tipo Illumina como parte de vuestra labor. Si es el caso, entonces conoceréis las herramientas ya clásicas bwa-mem y minimap2, de las que hemos hablado antes (1, 2), desarrolladas por el prolífico Heng Li. 

BWA mem se publicó en 2013 destacando su rendimiento al alinear secuencias en torno a los 100b, como las lecturas cortas. Para ser más preciso, nunca se publicó en una revista al ser rechazado, y a día de hoy su preimpresión supera ya las 14K citas, lo que demuestra su utilidad. En cambio, minimap2 alinea con precisión secuencias mucho más largas, como las lecturas HiFi de Pacbio u ONT, o incluso cromosomas enteros. Se publicó en 2018. Como se puede ver en el panel derecho de la Figura 1, ambos algoritmos comparten ideas y componentes y han servido para inspirar otros como bwa-mem2. 

 

Imagen
Figura 1. minibwa comparado con otros mapeadores. Fuente: https://x.com/lh3lh3/status/2066917108932329924

El mes pasado el autor liberó minibwa, que en sus propias palabras reemplaza a bwa-mem y soporta de manera nativa datos de tipo BS-seq. Podéis ver los detalles de su validación en arxiv, o en éste otro blog, pero en resumen es un algoritmo nuevo que supero limitaciones de diseño de bwa-mem tomando prestadas ideas de minimap2, que además es varias veces más rápido que el primero produciendo resultados muy similares con lecturas cortas. Además, como se ve en la Figura 1 consume mucha menos RAM. En la Figura 2 se muestra que es también mucho más rápido que Bowtie2, otro mapeador muy popular.

Mapping throughput comparison of MiniBWA, BWA MEM, and Bowtie2
Figura 2. Rendimiento de mapeo de minibwa, bwa-mem y Bowtie2, donce cada punto es un fichero de lecturas cortas de una especie diferente. Fuente: https://andrewcarroll.github.io/2026/06/30/the-best-of-both-worlds-assessing-minibwa.html

 

En mis propias pruebas con cebada (4GB) con las versiones bwa-mem 0.7.16a y minibwa 0.6-r416 he observado además:

  •  El nuevo índice tarda menos en calcularse (minibwa index), supongo que en parte porque se puede paralelizar con varios hilos. Real time: 1633.288 sec; CPU: 2090.351 sec; Peak RSS: 74.990 GB
  • El nuevo índice son solamente dos ficheros (.lb2 y .mbw) que en total pesan más (8.9GB) que el índice antiguo (7G).
  • Si usas parámetros por defecto puedes cambiar fácilmente un programa por el otro en tus scripts.

El código está disponible en https://github.com/lh3/minibwa,

hasta pronto, Bruno


 


 


14 de julio de 2011

Transformada de Burrows-Wheeler (para comprimir secuencias y buscar patrones)

Hola,
como posiblemente haya vacaciones en el blog estas próximas semanas, os dejo una entrada algo más compleja, donde se muestran los fundamentos de la transformación de Burrows-Wheeler aplicada a la búsqueda de patrones en secuencias biológicas, como continuación natural de los vectores de sufijos y los árboles binarios, que vimos en una entrada anterior.
(fuente: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.12.1158)
Vaya por delante que las implementaciones reales de este algoritmo (como Bowtie o BWA) son bastante más complejas (porque permiten búsquedas inexactas) y eficientes (porque comprimen el corpus para que se pueda cargar en la memoria RAM) que el código de esta entrada, pero su filosofía es similar:

1) se precalcula la transformada de un corpus de secuencias (y se comprime)
2) se buscan patrones exactos/inexactos sobre el corpus precalculado (comprimido)

Para aprender más, además de la lectura del artículo original de Burrows y Wheeler, un material recomendable para iniciarse en estos temas puede ser el libro de Gabriel Valiente  'Combinatorial pattern matching algorithms in computational biology using Perl and R'.

El siguiente código en Perl muestra un prototipo con estas ideas, empleando para la búsqueda el árbol binario implícito en el vector de sufijos:

 use strict;  
   
 my $VERBOSE = 1;  
 my @ALPHABET = ( '$', 'a' .. 'z' ); # orden lexicografico, $ marca el final   
   
 my ($text,$pattern) = ('mississippi','ssi');           
            
 printf("# original text: '%s'\n\n",$text);  
   
 my ($bwt,$start,$F) = BWT($text,$VERBOSE);   
   
 printf("# BWT('%s') = ('%s',%d) | F: %s\n",$text,$bwt,$start,$F);   
   
 # ahora se pueden comprimir $bwt y $F, por ejemplo, con run-length coder:  
 # 'mmmmmsssiiii' (12 bytes) quedaría como 'm5s3i4' (6 bytes)  
   
 my ($orig_text,$ref_array_W) = revBWT($bwt,$start,$VERBOSE);  
   
 printf("# BWTinv('%s',%d) = '%s'\n\n",$bwt,$start,$orig_text);   
   
 print "# searching for '$pattern' matches in '$text' [base 0]:\n";  
 match_pattern_BWT($pattern,$F,$start,$ref_array_W);  
   
   
   
 # Calcula un vector de sufijos de manera que las diferentes subcadenas   
 # de una secuencia queden preordenadas lexicograficamente  
 sub make_suffix_array  
 {  
   my ($seq,$verbose) = @_;       
   
   my $l = length($seq);  
   my @suffix = (0 .. $l-1); # en base 0  
   
   # ordena los length($seq) posibles sufijos lexicográficamente (cmp),  
   # este paso consume RAM y es uno de los pasos que se puede optimizar  
   @suffix = sort {substr($seq,$a) cmp substr($seq,$b)} (@suffix);  
   if($verbose)  
   {  
     print "# suffix array for $seq :\n";  
     foreach my $suf (@suffix)  
     {   
       printf("%3d %s%s\n",  
         $suf,substr($seq,$suf),substr($seq,0,$l-($l-$suf)));   
     }  
     print "\n";  
   }  
   return @suffix;  
 }  
   
 # Devuelve: 1) string BWT, 2) índice $start, que indica la fila del vector  
 # de sufijos que contiene la cadena original, y 3) string $F, la columna   
 # F1..Fn concatenada.  
 # BWT realmente es la columna de caracteres que preceden a la primera (F)  
 # de un vector de sufijos, o la última (L) si en vez de sufijos la cadena  
 # se permuta circularmente  
 # F1 .............$ L1  
 # F2 ............$. L2  
 # Fn ......$....... Ln  
 sub BWT  
 {  
   my ($seq,$verbose) = @_;  
       
     $seq = $seq . '$'; # marca el final   
       
   my @suffix_rotation = make_suffix_array($seq,$verbose);  
   my ($bwt,$start,$F) = ('',0);  
   foreach my $c (0 .. length($seq)-1)  
   {  
     $bwt .= substr($seq,$suffix_rotation[$c]-1,1);  
         $F .= substr($seq,$suffix_rotation[$c],1);  
     if($suffix_rotation[$c] == 0)  
     {  
       # fila del vector de sufijos que contiene cadena original    
       $start = $c;   
     }  
   }  
   return ($bwt,$start,$F);  
 }  
   
 # Devuelve: 1) la cadena original correspondiente a una cadena  
 # previamente transformada con BWT y 2) una referencia a un array @W  
 # que contiene, para cada posicion del vector L (cadena transformada), la que  
 # le sigue en la secuencia original; ojo, el orden de @W se conserva en @F  
 sub revBWT  
 {  
   my ($bwt,$start,$verbose) = @_;  
   my (@L,@C,@K,@M,@W,@T,$original_string);  
   my ($c,$l,$r,$total,$last_char);  
     my $last_alphabet = scalar(@ALPHABET)-1;  
   
   # convierte cadena $bwt en array @L  
   @L = split(//,$bwt);  
     $last_char = scalar(@L)-1;  
   
   # calcula vectores auxiliares C y K, contienen las observaciones   
   # de cada letra del alfabeto en $bwt (@L)  
   foreach $l (0 .. $last_alphabet){ $K[$l] = 0 }  
       
   foreach $c (0 .. $last_char)  
   {   
     foreach $l (0 .. $last_alphabet)  
     {  
       if($L[$c] eq $ALPHABET[$l])  
       {  
         $C[$c] = $K[$l];    
         $K[$l]++;  
       }   
     }   
   }  
       
     foreach $l (0 .. $last_alphabet)  
   {  
     if($verbose && $bwt =~ /$ALPHABET[$l]/)  
     {  
       print "# $ALPHABET[$l] K=$K[$l]\n";  
     }               
   }  
   
   # calcula vector auxiliar M, que contiene la primera aparición  
   # de cada letra del alfabeto en vector implícito F, que es   
   # la primera columna del suffix array subyacente  
   $total = 0;  
   foreach $l (0 .. $last_alphabet)  
   {  
     $M[$l] = $total;  
     $total += $K[$l];    
     if($verbose && $bwt =~ /$ALPHABET[$l]/)      
     {  
       print "# $ALPHABET[$l] M=$M[$l]\n" if($verbose);  
     }  
   }  
   
   # calcula vector decodificador @W (forward), destruye @M  
   foreach $c (0 .. $last_char)  
   {  
     foreach $l (0 .. $last_alphabet)  
     {  
       if($L[$c] eq $ALPHABET[$l])  
       {  
         $W[$M[$l]] = $c;     
         $M[$l]++;   
       }    
     }    
   }  
   
   # decodifica cadena de texto original (@T)  
   $original_string = '';  
   $l = $start;  
   foreach $c (0 .. $last_char)  
   {  
     $original_string .= $L[$l] if($L[$l] ne '$');  
     $l = $W[$l]  
   }  
   
   return ($original_string,\@W);  
 }  
   
 # Funcion equivalente al operador cmp para comparar una cadena $pattern   
 # con la BWT de un texto, dada una fila $row del suffix_array.  
 # Devuelve < 0 si $pattern < $bwt (orden lexicográfico), > 0 en caso contrario,  
 # y 0 si la fila $r comienza con $pattern   
 sub BWTstrcmp  
 {  
   my ($pattern,$F,$row,$ref_W) = @_;  
     
   my @F = split(//,$F);  
   my $m = length($pattern);   
   my ($c,$match) = (0,'');    
       
   while($m >= 0 and $F[$row] eq substr($pattern,$c,1))  
   {  
         $match .= $F[$row];  
     $row = $ref_W->[$row];  
     $m--;  
     $c++;  
   }    
   
   if($m == 0){return 0 } # match  
   else{ return substr($pattern,$c,1) cmp $F[$row] }  
 }  
   
 # Procedimiento que busca ocurrencias de un patron recorriendo el vector de sufijos  
 # implicito en la BWT, por medio del vector @F. Imprime las posiciones encontradas  
 sub match_pattern_BWT  
 {  
   my ($pattern,$F,$start,$ref_W) = @_;  
     
     my ($med,$submed,$low,$high,$comp);  
     my $last = length($F);  
   $low = 0;  
   $high = $last;  
   
   while ($low <= $high)   
   {  
     $med = int (($low+$high)/2);     
     $comp = BWTstrcmp($pattern,$F,$med,$ref_W);  
   
     if($comp < 0){ $high = $med-1 } # retrocedemos   
     elsif($comp > 0){ $low = $med+1 } # avanzamos  
     else   
     {  
       $submed = $med; # filas anteriores  
             while($submed > 0 &&   
         BWTstrcmp($pattern,$F,$submed,$ref_W) == 0)  
       {   
         printf("# match at position %d\n",  
           get_real_position($submed,$start,$ref_W));  
         $submed--;   
       }  
         
             $submed = $med + 1; # filas posteriores  
       while ($submed < $last &&   
         BWTstrcmp($pattern,$F,$submed,$ref_W) == 0)  
       {  
         printf("# match at position %d\n",  
           get_real_position($submed,$start,$ref_W));  
         $submed++;   
       }  
       last;  
     }  
   }  
   
 }  
   
 # Devuelve la posicion en el texto original de una fila de @F  
 sub get_real_position  
 {  
   my ($Fpos,$start,$ref_W) = @_;   
       
   my $real_pos = 0;  
   while($start != $Fpos)  
   {  
     $start = $ref_W->[$start];  
     $real_pos++;       
   }  
   return $real_pos;  
 }