高性能計算對生命科學研究有何幫助?

生命科學作為21世紀最重要的科學分支之一,高性能計算在生命科學的研究和發展中起了非常重要的作用。目前,高性能計算在生命科學領域中的應用主要包括:基因測序,分子動力,虛擬篩選。而對于高性能計算在生命科學領域的主要作用是對實驗儀器測量數據處理和分析,分子動力學模擬以及計算機輔助藥物設計類計算。

隨著人類基因組計劃的相繼完成,以及各種模式的生物基因組計劃的實施,基因測序技術也在不斷發展。同時,關于生物基因組序列的海量數據不斷涌現,因此就需要用通過高性能計算對這些數據加以整理和存儲。

實驗儀器測量數據處理和分析,首先通過實驗儀器對生物分子進行測量,使用一些后處理軟件對原始的大量數據進行處理和分析,然后對序列數據進行同源及相似性搜尋、比對、序列分析、遺傳發育分析等,應用軟件數量巨大,各種軟件在同源性分析算法上各有特點,最常用的有BLAST,FASTA,HMMER,ClustalW,DNASTAR,PHYLIP,PAML,PAUP,T-Coffee,EMBOSS等。有對蛋白質分子進行研究的三維冷凍電鏡方法及結構解析軟件EMAN,SPIDER;利用Xray方法測量用軟件CCP4、ARP/wARP,CNS進行解析等;質譜儀測序以及后續處理軟件tandom(X!tandom)等。

分子動力學模擬是在原子水平上利用牛頓經典力學方程模擬分子的運動,隨著高性能計算能力的提高,分子動力學模擬已經成為生物大分子理論研究的有力工具,目前,用于分子動力學模擬的主要軟件有AMBER ,Charmm,NAMD,Gromacs等,這類應用非常適合大規模并行。

計算機輔助藥物設計是根據受體的結構是否已知,分為直接藥物設計和間接藥物設計。通過分子模擬軟件分析結合部位的結構性質。然后運用數據庫搜尋或者全新藥物分子設計技術識別得到分子形狀和理化性質與受體作用位點相匹配的分子,合成并測試這些分子的生物活性,經過幾輪的循環,就可以發現新的先導化合物。因此,計算機輔助藥物設計大致包括活性點位分析法,數據庫搜尋,全新藥物設計。根據計算方法的不同分剛性對接、半柔性對接和柔性對接,應用軟件有DOCK ,AutoDock,FlexX,Discovery Studio,ZDOCK,RDOCK,MORDOR等。

對海量研究數據的生命科學領域計算,北鯤云可以提供完整的行業解決方案。不僅如此,北鯤云超算平臺預安裝了300多款軟件,研究人員在北鯤云超算平臺可以根據自身的研究需要,隨時啟用已經安裝好的軟件,方便快捷。

北鯤云超算平臺采用公有云計算資源,最新的CPU及GPU資源,最高可申請100000CPU核心,滿足不同應用軟件對高性能計算資源的不同需求。

高性能計算對生命科學研究有何幫助?的圖1

CPU:Intel Xeon Cascade Lake 8269 + Intel Xeon Skylake 8163 2.5-3.3GHz

GPU:Nvidia Tesla A100 + Nvidia Tesla V100 + Nvidia Tesla T4

同時,北鯤云超算平臺還未用戶提供多種作業提交方式,例如,可視化作業提交方式,大大降低了高性能計算的使用門檻。

高性能計算對生命科學研究有何幫助?的圖2

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