使用NVIDIA GPU創(chuàng)建模擬活細(xì)胞行為的全動(dòng)態(tài)模型

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究人員開發(fā)了 GPU 加速軟件，以模擬一個(gè)20億原子的細(xì)胞，該細(xì)胞像活細(xì)胞一樣代謝和生長。

主圖是 20 分鐘 3D 空間模擬的快照，顯示黃色和紫色核糖體、紅色和藍(lán)色降解體，以及代表 DNA 聚合物和蛋白質(zhì)的較小球體。

每個(gè)活細(xì)胞都有自己的小宇宙，成千上萬的成分負(fù)責(zé)能量生產(chǎn)、蛋白質(zhì)構(gòu)建、基因轉(zhuǎn)錄等等。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的科學(xué)家們建立了 3D 模擬，可以在粒子尺度上復(fù)制這些物理和化學(xué)特征——?jiǎng)?chuàng)建模擬活細(xì)胞行為的全動(dòng)態(tài)模型。

該項(xiàng)目發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上，它模擬了最小的活細(xì)胞，其中包含一組對(duì)細(xì)胞生存、功能和復(fù)制至關(guān)重要的基因。該模型使用 NVIDIA GPU 在 20 分鐘的細(xì)胞周期跨度內(nèi)模擬 7,000 個(gè)遺傳信息過程——這使得科學(xué)家認(rèn)為這是迄今為止最長、最復(fù)雜的細(xì)胞模擬。

最小細(xì)胞比自然產(chǎn)生的細(xì)胞更簡單，此特點(diǎn)使它們更容易數(shù)字化創(chuàng)建。

“即使是最小的細(xì)胞也需要 20 億原子，”伊利諾伊大學(xué)活細(xì)胞物理中心的化學(xué)教授兼聯(lián)合主任 Zaida Luthey-Schulten 表示?！皼]有 GPU，人類無法在日常時(shí)間尺度內(nèi)制作這樣的 3D 模型?！?/p>

一旦進(jìn)一步測(cè)試和完善，全細(xì)胞模型可以幫助科學(xué)家預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)世界細(xì)胞的條件或基因組的變化，將如何影響其功能。但即使在這個(gè)階段，最小的細(xì)胞模擬也可以讓科學(xué)家深入了解構(gòu)成活細(xì)胞基礎(chǔ)的物理和化學(xué)過程。

“我們發(fā)現(xiàn)，基本行為從模擬細(xì)胞中產(chǎn)生——不是因?yàn)槲覀冞M(jìn)行了編程，而是因?yàn)槲覀兊哪Ｐ椭杏姓_的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和脂質(zhì)機(jī)制，” Luthy-Schulten 說。

Lattice Microbes 是由 Luthey-Schulten 共同開發(fā)，并用于模擬 3D 最小單元的 GPU 加速軟件，可在 NVIDIA NGC 軟件中心獲得。

具有最大真實(shí)感的最小單元格

為了建立活細(xì)胞模型，伊利諾伊州的研究人員模擬了最簡單的活細(xì)胞，被稱作支原體的寄生細(xì)菌。他們的模型基于美國克雷格·文特爾研究所的科學(xué)家合成的精簡版的支原體細(xì)胞，該細(xì)胞只有不到 500 個(gè)基因來維持存活。

相比之下，大腸桿菌細(xì)胞大約有 5,000 個(gè)基因。人體細(xì)胞有兩萬多個(gè)。

Luthy-Schulten 的團(tuán)隊(duì)隨后利用支原體內(nèi)部工作的已知特性，包括氨基酸、核苷酸、脂質(zhì)和小分子代謝物，用 DNA、RNA、蛋白質(zhì)和膜來構(gòu)建模型。

Luthy-Schulten表示：“我們有足夠的反應(yīng)度，可以重現(xiàn)已知的一切。”

在細(xì)胞開始大量擴(kuò)展或復(fù)制其 DNA之前，研究人員在 NVIDIA Tensor Core GPU 上使用 Lattice Microbes 軟件，對(duì)細(xì)胞的生命周期進(jìn)行了 20 分鐘的 3D 模擬。該模型表明，細(xì)胞將大部分能量用于跨細(xì)胞膜運(yùn)輸分子，這符合其寄生性細(xì)胞的特征。

“如果你連續(xù)地或在全原子水平上進(jìn)行計(jì)算，則需要數(shù)年時(shí)間，”研究生及論文的主要作者 Zane Thornburg 說?！暗?yàn)樗鼈兌际仟?dú)立的進(jìn)程，我們可以將并行化引入代碼，并利用 GPU?！?/p>

Thornburg 正在開展另一個(gè) GPU 加速項(xiàng)目，以在 3D 中模擬生長和細(xì)胞分裂。該團(tuán)隊(duì)最近采用了 NVIDIA DGX 系統(tǒng)和 RTX A5000 GPU 來進(jìn)一步加速工作，他們發(fā)現(xiàn)，與配備上一代 NVIDIA GPU 的開發(fā)工作站相比，使用 A5000 GPU 可將基準(zhǔn)模擬時(shí)間縮短 40%。

原文標(biāo)題：NVIDIA GPU 支持活細(xì)胞模擬

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審核編輯：湯梓紅