Procesory graficzne NVIDIA umożliwiają symulację żywej komórki

Naukowcy z University of Illinois w Urbana-Champaign opracowali akcelerowane przez GPU oprogramowanie do symulacji komórki o 2 miliardach atomów, która metabolizuje i rośnie jak żywa komórka

Sty. 20, 2022 — Każda żywa komórka zawiera swój własny, tętniący życiem mikrokosmos z tysiącami składników odpowiedzialnych za produkcję energii, budowę białek, transkrypcję genów i nie tylko.

Opublikowane w czasopiśmie Komórka, projekt symuluje żywą minimalną komórkę, która zawiera okrojony zestaw genów niezbędnych do przetrwania, funkcjonowania i replikacji komórki. Model wykorzystuje procesory graficzne NVIDIA do symulacji 7000 procesów informacji genetycznej w ciągu 20 minut cyklu komórkowego, co czyni go najdłuższą, jak dotąd, najbardziej złożoną symulacją komórki. Naukowcy z University of Illinois w Urbana-Champaign zbudował symulację 3D, która odtwarza te cechy fizyczne i chemiczne w skali cząstek — tworząc w pełni dynamiczny model, który naśladuje zachowanie żywej komórki.

Minimalne komórki są prostsze niż te występujące w naturze, dzięki czemu łatwiej je tworzyć cyfrowo.

„Nawet minimalna komórka wymaga 2 miliardów atomów”, powiedziała Zaida Luthey-Schulten, profesor chemii i współdyrektor uniwersyteckiego Centrum Fizyki Żywych Komórek. „Nie można zrobić takiego modelu 3D w realistycznej skali czasu ludzkiego bez GPU”.

Po dalszym przetestowaniu i udoskonaleniu modele całych komórek mogą pomóc naukowcom przewidzieć, w jaki sposób zmiany warunków lub genomów rzeczywistych komórek wpłyną na ich funkcję. Ale nawet na tym etapie minimalna symulacja komórek może dać naukowcom wgląd w procesy fizyczne i chemiczne, które stanowią podstawę żywych komórek.

„Odkryliśmy, że podstawowe zachowania wyłaniają się z symulowanej komórki – nie dlatego, że je zaprogramowaliśmy, ale dlatego, że w naszym modelu mieliśmy prawidłowe parametry kinetyczne i mechanizmy lipidowe” – powiedziała.

Mikroby lateksowe, akcelerowane przez GPU oprogramowanie opracowane wspólnie przez Luthey-Schulten i używane do symulacji minimalnej komórki 3D, jest dostępne na NVIDIA NGC koncentrator oprogramowania.

Minimalna komórka z maksymalnym realizmem

Aby zbudować model żywej komórki, naukowcy z Illinois przeprowadzili symulację jednej z najprostszych żywych komórek, pasożytniczej bakterii zwanej mykoplazmą. Oparli się na modelu okrojonej wersji komórki mykoplazmy zsyntetyzowanej przez naukowców z Instytutu J. Craiga Ventera w La Jolla w Kalifornii, która miała prawie 500 genów, aby była żywotna.

Dla porównania pojedyncza komórka E. coli ma około 5000 genów. Ludzka komórka ma ponad 20 000.

Zespół Luthy-Schultena wykorzystał następnie znane właściwości wewnętrznego działania mykoplazmy, w tym aminokwasy, nukleotydy, lipidy i metabolity małocząsteczkowe, aby zbudować model z DNA, RNA, białkami i błonami.

„Mieliśmy wystarczająco dużo reakcji, aby móc odtworzyć wszystko, co znamy” – powiedziała.

Korzystanie z oprogramowania Lattice Microbes włączone Procesory graficzne NVIDIA Tensor Core, naukowcy przeprowadzili 20-minutową symulację 3D cyklu życia komórki, zanim zacznie ona znacząco rozszerzać lub replikować swoje DNA. Model wykazał, że komórka poświęciła większość swojej energii na transport cząsteczek przez błonę komórkową, co pasuje do jej profilu jako komórki pasożytniczej.

„Gdybyś wykonywał te obliczenia seryjnie lub na poziomie wszystkich atomów, zajęłoby to lata” — powiedział doktorant i główny autor publikacji, Zane Thornburg. „Ale ponieważ wszystkie są niezależnymi procesami, możemy wprowadzić do kodu zrównoleglenie i wykorzystać procesory graficzne”.

Thornburg pracuje nad innym akcelerowanym przez GPU projektem symulującym wzrost i podział komórek w 3D. Zespół niedawno przyjął Systemy NVIDIA DGX oraz Karty graficzne RTX A5000 Aby jeszcze bardziej przyspieszyć prace, okazało się, że użycie procesorów graficznych A5000 przyspieszyło czas symulacji testu porównawczego o 40 procent w porównaniu do deweloperskiej stacji roboczej z procesorem graficznym NVIDIA poprzedniej generacji.

Dowiedz się więcej o naukowcach korzystających z procesorów graficznych NVIDIA do przyspieszania przełomów naukowych dzięki bezpłatna rejestracja w NVIDIA GTC, dostępny online w dniach 21-24 marca.

Aby uzyskać dodatkową perspektywę, przeczytaj zapis z University of Illinois Urbana-Champaign tutaj.

Źródło: Isha Salian, NVIDIA