Procesory graficzne NVIDIA umożliwiają symulację komórek na żywo

Naukowcy z University of Illinois w Urbana-Champaign opracowali akcelerowane przez GPU oprogramowanie do symulacji 2 miliardów komórek atomowych, które metabolizują i rosną jak żywa komórka.

20 stycznia 2022 – Każda żywa komórka zawiera swój własny, tętniący życiem mały świat z tysiącami komponentów odpowiedzialnych za produkcję energii, budowę białek, transkrypcję genów i wiele innych.

Opublikowano w czasopiśmie komórkai Projekt symuluje małą żywą komórkę, która zawiera zredukowany zestaw genów niezbędnych do przeżycia, funkcjonowania i replikacji komórki. Model wykorzystuje procesory graficzne NVIDIA do symulowania 7000 procesów informacji genetycznej w 20-minutowym cyklu komórkowym — co według naukowców jest najdłuższą i najbardziej złożoną symulacją komórkową do tej pory. Zbudował symulację 3D, która odtwarza te właściwości fizyczne i chemiczne w skali cząstek, tworząc w pełni dynamiczny model, który symuluje zachowanie żywej komórki.

Małe komórki są prostsze niż naturalnie występujące komórki, co ułatwia ich cyfrowe odtworzenie.

„Nawet najmniejsza komórka wymaga dwóch miliardów atomów” – powiedziała Zaida Luthy Schulten, profesor chemii i współdyrektor uniwersyteckiego Centrum Fizyki Żywych Komórek. „Nie można stworzyć takiego modelu 3D w realistycznej ludzkiej skali czasu bez GPU”.

Po przetestowaniu i dopracowaniu modele całokomórkowe mogą pomóc naukowcom przewidzieć, w jaki sposób zmiany warunków lub genomów rzeczywistych komórek wpływają na ich funkcję. Ale nawet w tym momencie proste symulacje komórek mogą dać naukowcom wgląd w fizyczne i chemiczne procesy leżące u podstaw żywych komórek.

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

drobnoustroje kapilarne, oprogramowanie do akceleracji GPU opracowane przez firmę Luthey-Schulten we współpracy z firmą Luthey-Schulten i używane do symulacji 3D minimalnej liczby komórek, dostępne pod adresem NVIDIA NGC Centrum oprogramowania.

Mała komórka z maksymalnym realizmem

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

Dla porównania, pojedyncza komórka Escherichia coli zawiera około 5000 genów. Ludzka komórka zawiera ponad 20 000.

Następnie zespół Luthy-Schultena wykorzystał właściwości, o których wiadomo, że działają w endogennych mykoplazmach, w tym aminokwasy, nukleotydy, lipidy i drobnocząsteczkowe metabolity, aby zbudować model z RNA, RNA, białkami i błonami.

„Jesteśmy tak zmęczeni reakcjami, że możemy odtworzyć wszystko, co wiemy” – powiedziała.

Korzystanie z programu Lattice Microbes w Procesory graficzne NVIDIA Tensor CoreW ramach badania naukowcy przeprowadzili 20-minutową trójwymiarową symulację cyklu życia komórki, zanim zaczęła ona wykładniczo rozszerzać lub replikować swoje DNA. Model wykazał, że komórka poświęciła większość swojej energii na transport cząsteczek przez błonę komórkową, co pasuje do jej wyglądu jako komórki pasożytniczej.

„Gdyby te obliczenia były wykonywane sekwencyjnie lub na poziomie całego atomu, zajęłoby to lata” – powiedział doktorant i główny autor artykułu Zane Thornburg. „Ale ponieważ są to wszystkie niezależne procesy, możemy wprowadzić paralelizm do kodu i wykorzystać procesory graficzne”.

Thornburg pracuje nad kolejnym projektem akceleracji GPU, aby symulować wzrost 3D i podział komórek. Zespół niedawno przyjęty Systemy NVIDIA DGX i Karty graficzne RTX A5000 Aby jeszcze bardziej przyspieszyć prace, okazało się, że użycie procesorów graficznych A5000 przyspiesza czas emulacji testów porównawczych o 40 procent w porównaniu do zmodernizowanej stacji roboczej z procesorem graficznym NVIDIA poprzedniej generacji.

Dowiedz się więcej o naukowcach korzystających z procesorów graficznych NVIDIA w celu przyspieszenia przełomowych odkryć naukowych Bezpłatna rejestracja na NVIDIA GTCDziała online od 21 do 24 marca.

Aby uzyskać dodatkową perspektywę, przeczytaj artykuł napisany przez University of Illinois Urbana-Champaign tutaj.

Źródło: Isha Salian, NVIDIA