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我们用显微镜观察一块巧克力的表面并不难。

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(电子显微镜观察巧克力)

电子显微镜一般只能用来观测一些无机样品,比如它可以观察巧克力的表面,也可以看陶瓷的表面。但一旦让电子显微镜的电子去轰击蛋白质分子这类生物大分子的时候,问题就出来了。

举个例子,由于蛋白质分子这类生物大分子是有活性的,它们是运动的,电子打上去反射回来的方向会因为分子的运动而变得杂乱无章。这就好比你拍摄运动的物体时,拍糊了。

为了观测蛋白质分子这类生物大分子的空间结构,研究空间结构与生物大分子的功能之间的联系,科学家们需要在真空环境下把蛋白质分子固定住;于是,冷冻电镜技术应运而生,它用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术,可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品,如生物、高分子材料等。

庞大计算需求涌现

冷冻电镜技术很好地助力了蛋白质分析,然而,为了解析出拍摄到的很多二维照片与生物大分子的三维空间结构之间的关系,还需要一套很好的计算机软件算法以及大量计算能力的支撑。所以说,用显微镜观察巧克力可能不需要用到计算,但是进行蛋白质分析等生物基因的研究,就一定得用上计算了。

当计算支撑蛋白质分析,数据量之大不言而喻,而蛋白质分析的高复杂性、高不确定性、高维度等特点,更导致计算的复杂。用户作业提交多为“大批量小规模”形式,通常为批处理执行,但一次会有成百上千个应用提交,对计算能力也有着更特殊的要求。此外,冷冻电镜如辅助以图像识别及医学影像识别等,还需深度学习(AI)的支持。

驱动生物医疗创新的“金刚钻”

曙光计算依托服务器、存储,通过网络系统将各独立的设备互联起来,并通过管理和调度系统,将整套系统作为统一的整体进行管理,实现整套系统性能、可靠性的提升。有力支撑基因测序、拼接等生物信息学领域研究工作。

Relion是专门为低温冷冻设计的图像处理软件。该软件在通过电子冷冻显微镜数据的单颗粒分析来优化大分子结构。Relion采用经验贝叶斯方法对多个3D重建或2D类平均值进行细化。借助高端计算架构,我们可以进一步改进算法,解决了Cryo-EM中计算量最大的过程,例如粒子自动选取,2D和3D图像分类以及高分辨率图像细化。据悉,曙光早在2010年前后就已经与生物信息学的相关专家进行了接洽,专门针对Relion等三维重构软件进行了优化,提升了软件效率,为蛋白质结构解析提供了技术保障。

在生物医疗领域,除了蛋白质分析,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,计算可称为驱动生物医疗创新的“金刚钻”。

曙光深耕生物医疗领域多年,为行业内超过1000家生物医药领域计算用户提供技术支撑,覆盖国内大型医院、基因科技、科研院所,其中包括北京天坛医院、上海瑞金医院、中科院北京基因组所、深圳基因组所等。未来,曙光将充分发挥企业优势,加速技术创新,为生物信息领域用户提供更先进的服务。


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