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中關(guān)村在線消息，2023年3月28日，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)天津工業(yè)生物所）與亞馬遜云科技聯(lián)合在天津舉辦“生物計(jì)算設(shè)計(jì)“溝通會(huì)，就BT+IT結(jié)合助力合成生物學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀和未來(lái)進(jìn)行溝通交流。

天津工業(yè)生物所是中國(guó)合成生物學(xué)領(lǐng)域的核心力量，由中國(guó)科學(xué)院和天津市人民政府共建，牽頭組織承擔(dān)了多項(xiàng)合成生物學(xué)、綠色生物制造等重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃任務(wù)。2019年，天津工業(yè)生物所成立了生物設(shè)計(jì)中心平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室，并圍繞生物計(jì)算設(shè)計(jì)，開(kāi)始與亞馬遜云科技共同探索生物技術(shù)和信息技術(shù)相結(jié)合（BT+IT）技術(shù)體系，以進(jìn)一步推動(dòng)合成生物學(xué)發(fā)展，以期能夠?yàn)樵诮】?、能源、農(nóng)業(yè)和環(huán)境等領(lǐng)域的重大突破提供技術(shù)支撐。至今已推出了全球首個(gè)基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)的大腸桿菌調(diào)控代謝關(guān)系知識(shí)圖譜ERMer和全流程高通量編輯序列設(shè)計(jì)云平臺(tái)AutoESD等20多項(xiàng)生物計(jì)算設(shè)計(jì)工具和軟件應(yīng)用。云原生的開(kāi)發(fā)方式較傳統(tǒng)方式大幅縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，總體運(yùn)行成本大幅降低，使得團(tuán)隊(duì)可以專(zhuān)注于業(yè)務(wù)代碼和創(chuàng)新。

(資料圖)

圖數(shù)據(jù)庫(kù)助力構(gòu)建專(zhuān)業(yè)大腸桿菌調(diào)控代謝知識(shí)圖譜，提升科研效率

細(xì)胞中的代謝調(diào)控非常復(fù)雜，一個(gè)特定的細(xì)胞功能往往由一系列不同類(lèi)型的代謝途徑調(diào)控相互作用決定。通常不同類(lèi)型的調(diào)控?cái)?shù)據(jù)散落在各個(gè)不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，生物學(xué)家很難通過(guò)僅關(guān)注與所研究的代謝物/蛋白質(zhì)密切相關(guān)的一兩類(lèi)相互作用來(lái)識(shí)別這種復(fù)雜調(diào)控級(jí)聯(lián)關(guān)系。因此，將這些不同類(lèi)型的調(diào)控相互作用匯集在一起，并提供方便的交互方式，將極大的方便生物學(xué)家挖掘和理解生物體內(nèi)的復(fù)雜調(diào)控關(guān)系。天津工業(yè)生物所生物設(shè)計(jì)中心團(tuán)隊(duì)聯(lián)合亞馬遜云科技團(tuán)隊(duì)在計(jì)算生物學(xué)國(guó)際期刊Nucleic Acids Research上發(fā)表文章，發(fā)布了全球首個(gè)基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)Amazon Neptune的大腸桿菌調(diào)控代謝關(guān)系知識(shí)圖譜ERMer，首次提供了全局的代謝調(diào)控圖譜，并通過(guò)可視化框架實(shí)現(xiàn)了豐富的搜索功能，如多步查詢(xún)、最短路徑查詢(xún)等。ERMer采用專(zhuān)門(mén)為高度關(guān)聯(lián)的復(fù)雜數(shù)據(jù)集的高效存儲(chǔ)和查詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)圖數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)，這打破了傳統(tǒng)的低效數(shù)據(jù)檢索方式，有效增強(qiáng)用戶和圖譜的人機(jī)交互，大大降低了使用門(mén)檻。

為充分發(fā)揮知識(shí)圖譜的價(jià)值，生物設(shè)計(jì)中心團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步采用基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行推理，成功實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄因子預(yù)測(cè)和轉(zhuǎn)錄因子靶點(diǎn)預(yù)測(cè)等功能，這將有助于挖掘潛在的關(guān)鍵調(diào)控因子和調(diào)控靶點(diǎn)，構(gòu)建新的調(diào)控代謝網(wǎng)絡(luò)，能夠?yàn)檠芯咳藛T提供新的思路和方向。

云原生Serverless應(yīng)用架構(gòu)加速生物計(jì)算設(shè)計(jì)工具研發(fā)

模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，是所有工程學(xué)科的基礎(chǔ)，也是合成生物學(xué)區(qū)別于傳統(tǒng)發(fā)酵行業(yè)的革命。工程學(xué)的可控性，意味著其將能夠與各種軟硬件進(jìn)行結(jié)合，從而走向自動(dòng)化與高通量，擺脫過(guò)往勞動(dòng)密集型的研究模式，獲得更高的技術(shù)迭代能力。而對(duì)于這個(gè)過(guò)程，除了針對(duì)元件工具以外，將合成生物學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，也是自動(dòng)化研究當(dāng)中不可或缺的一環(huán)。面向微生物遺傳操作，天津工業(yè)生物所生物設(shè)計(jì)中心團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)得到了第一個(gè)能夠在所有操作類(lèi)型、任何基因組位點(diǎn)和跨物種上進(jìn)行精確、自動(dòng)化和高通量編輯序列設(shè)計(jì)的云平臺(tái)AutoESD。AutoESD的開(kāi)發(fā)采用了基于云端的無(wú)服務(wù)器架構(gòu)，確保了高可靠性、穩(wěn)健性和可擴(kuò)展性，能夠在幾分鐘內(nèi)并行處理包含上千個(gè)編輯序列設(shè)計(jì)目標(biāo)的數(shù)百個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)。開(kāi)發(fā)人員利用Amazon Step Functions實(shí)現(xiàn)可視化的工作流管理，實(shí)現(xiàn)了編輯序列設(shè)計(jì)工作流的串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的快速構(gòu)建和更新，同時(shí)快速查詢(xún)處理異常任務(wù)；利用Amazon Lambda無(wú)服務(wù)計(jì)算將不同的引物設(shè)計(jì)、同源臂設(shè)計(jì)等編輯序列設(shè)計(jì)模塊封裝打包，滿足了具體功能的模塊化開(kāi)發(fā)要求，并方便地對(duì)功能模塊進(jìn)行管理和共享；利用Amazon DynamoDB提供毫秒級(jí)的動(dòng)態(tài)資源響應(yīng)性能，并自動(dòng)擴(kuò)展所需資源以應(yīng)對(duì)增加的業(yè)務(wù)需求。這些Serverless服務(wù)幫助天津工業(yè)生物所團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步簡(jiǎn)化運(yùn)維，使得開(kāi)發(fā)人員可以專(zhuān)注于業(yè)務(wù)代碼和創(chuàng)新，與傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式相比，開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短了75%，總體擁有成本降低高達(dá)50%。

未來(lái)，天津工業(yè)生物所團(tuán)隊(duì)希望基于亞馬遜云科技先進(jìn)的服務(wù)技術(shù)和能力，開(kāi)展更多“BT+IT”的研發(fā)工作，進(jìn)一步助力研究所在合成生物領(lǐng)域的科研探索。此外，也期望通過(guò)亞馬遜云科技的全球科研領(lǐng)域輻射能力，提升天津工業(yè)生物所生物計(jì)算設(shè)計(jì)方面的國(guó)際影響力，為世界各國(guó)的合成生物學(xué)科研工作者提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

天津工業(yè)生物所生物設(shè)計(jì)中心主任馬紅武表示：“中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所肩負(fù)著國(guó)家工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展的重任，并正在加速利用云計(jì)算推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和成果落地。亞馬遜云科技提供的圖數(shù)據(jù)庫(kù)和Serverless服務(wù)，突破傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式、提升研發(fā)效率、不斷優(yōu)化云上成本，生物技術(shù)和信息技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)體系將進(jìn)一步推動(dòng)合成生物領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新?！?/p>

亞馬遜云科技中國(guó)區(qū)商用與公共市場(chǎng)事業(yè)部總經(jīng)理李曉芒表示：“亞馬遜云科技為全球數(shù)千家生命科學(xué)領(lǐng)域客戶提供云服務(wù)和行業(yè)解決方案，助力從實(shí)驗(yàn)室到真實(shí)世界，全面加速生命科學(xué)數(shù)字化創(chuàng)新。我們很高興能夠與天津工業(yè)生物所一道，通過(guò)云技術(shù)和深厚的行業(yè)實(shí)踐推動(dòng)合成生物學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，開(kāi)拓生物制造產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化創(chuàng)新路徑?！?/p>

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