研究人員使用NVIDIA GPU構(gòu)建活細胞模擬

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20億原子的細胞，該細胞像活細胞一樣代謝和生長。

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

每個活細胞都有自己的小宇宙，成千上萬的成分負責(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——創(chuàng)建模擬活細胞行為的全動態(tài)模型。

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

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

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

一旦進一步測試和完善，全細胞模型可以幫助科學(xué)家預(yù)測現(xiàn)實世界細胞的條件或基因組的變化，將如何影響其功能。但即使在這個階段，最小的細胞模擬也可以讓科學(xué)家深入了解構(gòu)成活細胞基礎(chǔ)的物理和化學(xué)過程。

“我們發(fā)現(xiàn)，基本行為從模擬細胞中產(chǎn)生——不是因為我們進行了編程，而是因為我們的模型中有正確的動力學(xué)參數(shù)和脂質(zhì)機制，” 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。

具有最大真實感的最小單元格

為了建立活細胞模型，伊利諾伊州的研究人員模擬了最簡單的活細胞，被稱作支原體的寄生細菌。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胞，該細胞只有不到 500 個基因來維持存活。

相比之下，大腸桿菌細胞大約有 5,000 個基因。人體細胞有兩萬多個。

Luthy-Schulten 的團隊隨后利用支原體內(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?！?/p>

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

“如果你連續(xù)地或在全原子水平上進行計算，則需要數(shù)年時間，”研究生及論文的主要作者 Zane Thornburg 說?！暗驗樗鼈兌际仟毩⒌倪M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 GPU 加速項目，以在 3D 中模擬生長和細胞分裂。該團隊最近采用了 NVIDIA DGX 系統(tǒng)和 RTX A5000 GPU 來進一步加速工作，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 可將基準模擬時間縮短 40%。

原文標題：NVIDIA GPU 支持活細胞模擬

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審核編輯：湯梓紅