[논문 리뷰] Overview of chemical ontologies

Christian Pachl, Nils Frank외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 07.

History and advancements in chemistry참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 분석 방법, 명명 반응, 과학적 단위의 세 가지 핵심 분야에서 기존 화학 온톨로지에 대한 종합적인 개요를 제공한다. 구조, 완전성, 라이선스, 사용성 측면에서 평가하며, 화학적 방법 온톨로지(CHMO)와 단위 온톨로지(UO)가 가장 성숙하고 널리 적용 가능한 자원임을 밝히고, 분야 전반에 걸쳐 메타데이터 부족과 활발한 개발 부족을 지적한다.

ABSTRACT

Ontologies order and interconnect knowledge of a certain field in a formal and semantic way so that they are machine-parsable. They try to define allwhere acceptable definition of concepts and objects, classify them, provide properties as well as interconnect them with relations (e.g. "A is a special case of B"). More precisely, Tom Gruber defines Ontologies as a "specification of a conceptualization; [...] a description (like a formal specification of a program) of the concepts and relationships that can exist for an agent or a community of agents." [1] An Ontology is made of Individuals which are organized in Classes. Both can have Attributes and Relations among themselves. Some complex Ontologies define Restrictions, Rules and Events which change attributes or relations. To be computer accessible they are written in certain ontology languages, like the OBO language or the more used Common Algebraic Specification Language. With the rising of a digitalized, interconnected and globalized world, where common standards have to be found, ontologies are of great interest. [2] Yet, the development of chemical ontologies is in the beginning. Indeed, some interesting basic approaches towards chemical ontologies can be found, but nevertheless they suffer from two main flaws. Firstly, we found that they are mostly only fragmentary completed or are still in an architecture state. Secondly, apparently no chemical ontology is widespread accepted. Therefore, we herein try to describe the major ontology-developments in the chemical related fields Ontologies about chemical analytical methods, Ontologies about name reactions and Ontologies about scientific units.

연구 동기 및 목표

• 분석 방법, 명명 반응, 과학적 단위 분야에서 기존 화학 온톨로지의 현재 상태를 평가하기 위해.
• 기존 화학 온톨로지 간의 완전성, 메타데이터 풍부성, 활발한 유지보수 측면에서의 격차를 규명하기 위해.
• 이 온톨로지들이 디지털 화학 및 화학정보학 워크플로우에서 상호운용성과 재사용 가능성 측면에서 어떻게 평가되는지 분석하기 위해.
• 특히 크리에이티브 커먼즈 라이선스 모델의 비교 및 개방 과학과 재사용에 대한 영향 평가하기 위해.
• 미래의 개발 및 통합을 위한 최적의 온톨로지 우선순위를 설정하고 최선의 실천 방안을 제안하기 위해.

제안 방법

• 공개 리포지터리 및 학술 자료에서 기존 화학 온톨로지를 체계적으로 검토하고 분류하기 위해.
• 범위, 구조, 메타데이터 풍부성, 라이선스(CC BY, CC BY-SA), 활발한 개발 상태 기반으로 온톨로지 평가하기 위해.
• 공식 온톨로지 표준(OBO, OWL)을 사용하여 온톨로지 구성 요소(클래스, 개별 사례, 관계, 속성, 제약 조건) 매핑하기 위해.
• 계층적 구조, 표준 준수(예: SI), 기계 가공 가능성 기반으로 단위 온톨로지(UO, OM2, QUDT) 비교하기 위해.
• 유기 및 무기 반응 커버리지 및 분류 깊이 측면에서 명명 반응 온톨로지(RXNO, KEGG, MOP) 분석하기 위해.
• 완전성 및 실험실 소프트웨어 통합 지원 측면에서 분석 방법 온톨로지(CHMO, AnIML, Allotrope, ChAMP) 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분석 방법, 명명 반응, 단위 분야에서 현재 가장 완전하고 활발히 유지되고 있는 화학 온톨로지는 무엇인가?
• RQ2 라이선스 모델(예: CC BY, CC BY-SA)은 화학 온톨로지의 재사용성과 상호운용성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기존 온톨로지들이 실험실 정보 관리 시스템에 통합하기 위해 필요한 메타데이터를 얼마나 포함하고 있는가?
• RQ4 가장 효과적인 화학 온톨로지와 불완전하거나 활동이 정지된 프로젝트를 구분하는 구조적 및 의미적 특징은 무엇인가?
• RQ5 UO, OM2, QUDT와 같은 단위 온톨로지는 표준 준수, 계층 구조, 기계 가공 가능성 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 화학적 방법 온톨로지(CHMO)는 500개 이상의 방법과 CC BY 4.0 라이선스를 보유하고 있으나, 세부 메타데이터가 부족하여 가장 포괄적이고 활발히 유지되고 있는 분석 방법 온톨로지이다.
• 단위 온톨로지(UO)는 가장 성숙하고 잘 정의된 단위 온톨로지로, 3단계 계층 시스템을 갖추고 있으며 428개의 단위를 포함하고 있으며 CC BY 4.0 라이선스를 적용하고 있다.
• AnIML 기술 정의 온톨로지는 UV-vis 및 크로마토그래피 방법에 대해 풍부한 메타데이터를 제공하지만, 완전하지 않으며 현재는 활동이 정지되어 있다.
• 명명 반응 온톨로지(RXNO)는 다층 분류를 통해 500개 이상의 반응을 포함하고 있으며 가장 완전하고 활발히 유지되고 있다.
• ChAMP, OASIS-QUOMOS와 같은 일부 유망한 온톨로지는 활동이 정지되거나 포기된 상태이며, 화학 온톨로지 프로젝트의 장기적 지속 가능성 문제를 드러내고 있다.
• 다양한 활용도가 있지만, 많은 온톨로지가 실험실 소프트웨어에 직접 통합하기 위한 충분한 메타데이터를 확보하지 못하여 디지털 화학 워크플로우에서의 실용적 적용에 한계가 있다.