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探寻生物领域的“红桃皇后理论”


“在我们这得拼命奔跑,才能保持在原地。要是想要到别的地方,得再快一倍才行”。

上文来自Lewis Carroll的文学作品《爱丽丝梦游仙境》,讲的是爱丽斯和红桃皇后一同出发,但不久之后发现他们处在与先前一模一样的起点上。


 生物学家Leigh Van Valen在1973年也源于此提出了“红桃皇后理论”。其本质观点可以理解为,生物系统在长期动态平衡中实现演化创新。例如, 病毒不断演化出更强的感染力,而宿主则不断演化出更强的免疫能力,二者都在不断演化创新,不断形成新的平衡。

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从结构角度理解协同演化,计算需求加码

COVID-19冠状病毒疫情于2019年底爆发,并于2020年初席卷全球。而在这之前已有其它六种冠状病毒感染少数宿主,包括人类和禽类其中4种已在人群中传播。


在数十亿年的演化过程中,病毒和宿主正是以红桃皇后理论的方式相互作用而实现协同演化,其爆发还没有确切的时间和地点,且病毒中间宿主尚未明确。


这种红桃皇后理论方式的相互作用和协同演化给研究也带来极大的挑战,也推动了从结构角度理解协同演化新算法的开发,其中分析大量基因组数据、鉴定正选择关键位点及动力学模拟等都需要消耗大量算力。


曙光计算,探寻协同演化信号

研究病毒-宿主相互作用基因中的协调演化信号,对于理解其演化历史、寻找中间宿主和预防冠状病毒的爆发具有重要研究意义。近日,基于曙光提供的计算支撑,基因组学中心团队将利用分子动力学模拟分析预测新冠病毒不同株系对不同人类群体的感染能力。


根据红桃皇后理论,该团队提出了一种新方法来探索病毒与宿主间的协调进化。通过分析病毒-宿主相互作用基因中的正选择位点,利用可信度较高的一种蛋白质结构建模方法——同源建模,对病毒S蛋白受体结合域(RBD)-宿主ACE2复合物进行分子动力学模拟以预测其结合能,探索其结合的方式与紧密程度。


简单来说,这个思路为研究病毒和宿主之间的协同演化、探索病毒的潜在中间宿主提供了一条可行的途径。


计算与生命科学领域研究共同成长

在生命科学领域,蛋白质分析、基因测序、分子动力学、辅助药物设计、医疗影像等,均对计算有着庞大需求。而这些需求也推动了计算行业、服务模式的不断成熟。


7月,中科曙光推出算力基础设施和公共计算服务平台——计算服务。通过链接遍布全国的数据中心算力资源,实现算力互通互联,进行统一调度管理,按需按量为用户提供计算、应用、数据、调优、咨询、运营、运维等的一站式服务。为生命科学等对计算有着庞大需求的领域,提供像“自来水”一样即开即用的海量算力。


曙光计算服务可提供多核计算节点,保障单核多线程程序快速运行;SSD 存储资源,保障高 IOPS 程序稳定运行。同时可为生信企业提供数据共享服务,也可提供API整合到企业自有平台。


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