中科院天津工業(yè)生物所攜手亞馬遜云科技推動生物計(jì)算設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展

4月3日消息，近日，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡稱天津工業(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，就生物技術(shù)與信息技術(shù)（BT+IT）結(jié)合助力合成生物學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀和未來進(jìn)行溝通交流。

早在2019年天津工業(yè)生物所成立了生物設(shè)計(jì)中心平臺實(shí)驗(yàn)室，并圍繞生物計(jì)算設(shè)計(jì)開始與亞馬遜云科技共同探索生物技術(shù)和信息技術(shù)（BT+IT）相結(jié)合的技術(shù)體系，以進(jìn)一步推動合成生物學(xué)發(fā)展，以期能夠?yàn)樵诮】?、能源、農(nóng)業(yè)和環(huán)境等領(lǐng)域的科學(xué)研究提供技術(shù)支撐。至今已推出了全球首個基于圖數(shù)據(jù)庫的大腸桿菌調(diào)控代謝關(guān)系知識圖譜ERMer和全流程高通量編輯序列設(shè)計(jì)云平臺AutoESD等20多項(xiàng)生物計(jì)算設(shè)計(jì)網(wǎng)站工具。基于無服務(wù)器技術(shù)的云原生的開發(fā)方式較傳統(tǒng)方式大幅縮短開發(fā)時間，總體運(yùn)行成本大幅降低，使得團(tuán)隊(duì)可以專注于業(yè)務(wù)代碼和創(chuàng)新。

基于圖數(shù)據(jù)庫的大腸桿菌調(diào)控代謝關(guān)系知識圖譜ERMer

細(xì)胞中的代謝調(diào)控非常復(fù)雜，一個特定的細(xì)胞功能往往由一系列不同類型的代謝途徑調(diào)控相互作用決定。例如，氨基酸的代謝通常由不同類型的相互作用組成的反饋或前饋回路來調(diào)節(jié)。由于缺乏對這些調(diào)控關(guān)系的全局性認(rèn)識，對細(xì)胞進(jìn)行代謝重塑時常觸發(fā)胞內(nèi)復(fù)雜調(diào)控而無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，這是目前細(xì)胞工廠構(gòu)建中的存在的共性問題。

通常不同類型的調(diào)控?cái)?shù)據(jù)散落在各個不同的數(shù)據(jù)庫，生物學(xué)家很難通過僅關(guān)注與所研究的代謝物/蛋白質(zhì)密切相關(guān)的一兩類相互作用來識別這種復(fù)雜調(diào)控級聯(lián)關(guān)系。因此，將這些不同類型的調(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。

對于這樣的需求，傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫往往只能以非直接的方式來表示數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，識別這種類型的復(fù)雜調(diào)控級聯(lián)關(guān)系需要額外操作步驟且效率不高。相比之下，圖數(shù)據(jù)庫更適合這類異質(zhì)性數(shù)據(jù)的管理和處理復(fù)雜查詢。

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)國際期刊Nucleic Acids Research上發(fā)表文章，發(fā)布了全球首個基于圖數(shù)據(jù)庫Amazon Neptune的大腸桿菌調(diào)控代謝關(guān)系知識圖譜ERMer。ERMer實(shí)現(xiàn)了多種復(fù)雜調(diào)控級聯(lián)或模式的快速檢索和可視化，讓科研人員能夠以交互式、無需編程的方法探索完整的大腸桿菌調(diào)控圖譜。例如用戶可以通過指定代謝物-基因、最大搜索長度、最短或最全搜索方法，快速得到所有調(diào)控鏈路，有助于用戶發(fā)現(xiàn)新的調(diào)控模式以及一些潛在的代謝工程靶點(diǎn)（調(diào)控策略）。
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，大大降低了使用門檻。

為充分發(fā)揮知識圖譜的價值，生物設(shè)計(jì)中心團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行推理，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子預(yù)測和轉(zhuǎn)錄因子靶點(diǎn)預(yù)測等功能，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)，為研究人員提供新的思路和方向。

基于云原生Serverless應(yīng)用架構(gòu)開發(fā)的AutoESD云平臺 實(shí)現(xiàn)自動化和高通量的編輯序列設(shè)計(jì)

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)與傳統(tǒng)代謝工程的主要區(qū)別。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，從而走向自動化與高通量，擺脫過往勞動密集型的研究模式，獲得更高的技術(shù)迭代能力。而對于這個過程，除了針對元件工具以外，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，也是自動化研究當(dāng)中不可或缺的一環(huán)。

面向大批量微生物遺傳操作，天津工業(yè)生物所生物設(shè)計(jì)中心團(tuán)隊(duì)開發(fā)得到了第一個能夠支持多種操作類型、任意基因組位點(diǎn)和跨物種進(jìn)行精確、自動化和高通量編輯序列設(shè)計(jì)的云平臺AutoESD。

通過對遺傳操作技術(shù)的模塊化解構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)化處理，AutoESD實(shí)現(xiàn)了全流程、自動化的編輯序列設(shè)計(jì)，支持多種基于篩選標(biāo)記的同源重組技術(shù)變種，理論上支持所有基因組序列已知的微生物，并可以在單批次任務(wù)中處理針對不同目標(biāo)序列（CDS 或基因間區(qū)域）的多種類型的遺傳操作（敲除、插入和替換）。用戶僅需要在網(wǎng)站界面，選擇參考基因組和遺傳操作技術(shù)，上傳目標(biāo)操作序列與用戶自己的載體和篩選標(biāo)記序列，AutoESD即可自動實(shí)現(xiàn)編輯序列設(shè)計(jì)供用戶下載，并可通過網(wǎng)站進(jìn)行可視化分析。此外，AutoESD還提供失敗任務(wù)原因分析、同源序列脫靶風(fēng)險(xiǎn)評估等功能，用戶可以根據(jù)這些結(jié)果，更改默認(rèn)的參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化再設(shè)計(jì)。

AutoESD 的開發(fā)采用了基于云端的無服務(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編輯序列設(shè)計(jì)目標(biāo)的數(shù)百個設(shè)計(jì)任務(wù)。開發(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，同時快速查詢處理異常任務(wù)；利用Amazon Lambda無服務(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發(fā)要求，并方便地對功能模塊進(jìn)行管理和共享；利用Amazon DynamoDB提供毫秒級的動態(tài)資源響應(yīng)性能，并自動擴(kuò)展所需資源以應(yīng)對增加的業(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)一步簡化運(yùn)維，使得開發(fā)人員可以專注于業(yè)務(wù)代碼和創(chuàng)新，與傳統(tǒng)開發(fā)方式相比，開發(fā)時間縮短了75%，總體擁有成本降低50%。

未來，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)方面的國際影響力，為世界各國的合成生物學(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：“中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所肩負(fù)著國家工業(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)庫和Serverless服務(wù)，突破傳統(tǒng)的開發(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)一步推動合成生物領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新。”

亞馬遜云科技中國區(qū)商用與公共市場事業(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，通過云技術(shù)和深厚的行業(yè)實(shí)踐推動合成生物學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，開拓生物制造產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化創(chuàng)新路徑。”

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