[論文レビュー] Overview of chemical ontologies

Christian Pachl, Nils Frank+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2020

History and advancements in chemistry参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、分析手法、名前反応、科学的単位の3つの主要分野における既存の化学オントロジーについて包括的な概要を提供する。構造、完全性、ライセンス、利用可能性を評価し、化学的手法オントロジー（CHMO）と単位オントロジー（UO）を最も成熟し、広く適用可能なリソースとして特定するが、分野全体におけるメタデータの欠落と活発な開発の不足を指摘する。

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.

研究の動機と目的

• 分析手法、名前反応、科学的単位の3分野における化学オントロジーの現状を評価すること。
• 既存の化学オントロジーにおける完全性、メタデータの豊富さ、および活発なメンテナンスの欠如に関するギャップを特定すること。
• これらのオントロジーがデジタルケミストリーおよびケミインフォマティクスワークフローにおける相互運用性および再利用可能性を評価すること。
• 特にクリエイティブ・コモンズ（CC）のライセンスモデルと、オープンサイエンスおよび再利用に与える影響を評価すること。
• 今後の開発および統合に向けた最適なオントロジーを優先順位付けし、ベストプラクティスを提言すること。

提案手法

• 公開リポジトリおよび学術的資料から得た既存の化学オントロジーの体系的レビューと分類。
• 範囲、構造、メタデータの豊富さ、ライセンス（CC BY、CC BY-SA）、および活発な開発状態に基づくオントロジーの評価。
• 形式的オントロジー基準（OBO、OWL）を用いたオントロジー要素（クラス、個体、関係、属性、制限）のマッピング。
• 階層的構造、標準準拠（例：SI）、機械可読性に基づく単位オントロジー（UO、OM2、QUDT）の比較。
• 分類の深さと有機／無機反応のカバー範囲に基づく名前反応オントロジー（RXNO、KEGG、MOP）の分析。
• 完全性およびラボソフトウェア統合支援の観点から、分析手法オントロジー（CHMO、AnIML、Allotrope、ChAMP）の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分析手法、名前反応、単位の分野において、現在最も完全で活発にメンテナンスされている化学オントロジーはどれか？
• RQ2 ライセンスモデル（例：CC BY、CC BY-SA）は、化学オントロジーの再利用可能性および相互運用性にどのように影響するか？
• RQ3 既存のオントロジーがラボ情報管理システムへの統合に必要なメタデータをどの程度備えているか？
• RQ4 最も効果的な化学オントロジーと不完全または非活動的プロジェクトを区別する構造的および意味的特徴は何か？
• RQ5 UO、OM2、QUDTといった単位オントロジーは、標準準拠性、階層構造、機械解析可能性の観点からどのように比較できるか？

主な発見

• 化学的手法オントロジー（CHMO）は、500種以上の手法とCC BY 4.0ライセンスを備え、分析手法分野で最も包括的かつ活発にメンテナンスされているが、詳細なメタデータに欠けている。
• 単位オントロジー（UO）は、最も成熟し、良好に構造化された単位オントロジーであり、3段階の階層的システムを有し、428の単位を含み、CC BY 4.0ライセンスで提供されている。
• AnIML技術定義オントロジーは、UV-visおよびクロマトグラフィー手法に豊富なメタデータを提供しているが、不完全で現在非活動的である。
• 名前反応オントロジーとして、RXNOは500件を超える反応を複数のレイヤーに分類し、最も包括的で活発にメンテナンスされている。
• ChAMP や OASIS-QUOMOS といった有望なオントロジーは非活動的または放棄されており、化学オントロジープロジェクトの長期的持続可能性に課題があることを示している。
• 実用的価値は高いが、多くのオントロジーがラボソフトウェアへの直接統合に必要な十分なメタデータを欠いており、デジタルケミストリーワークフローにおける実用的応用が制限されている。