NVIDIA GPU’s maken live celsimulatie mogelijk

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben GPU-versnelde software ontwikkeld om 2 miljard atomaire cellen te simuleren die metaboliseren en groeien als een levende cel.

20 jan 2022 – Elke levende cel bevat zijn eigen bruisende kleine wereld, met duizenden componenten die verantwoordelijk zijn voor energieproductie, eiwitopbouw, gentranscriptie en meer.

Gepubliceerd in het tijdschrift celEn Het project simuleert een kleine levende cel die een beperkte set genen bevat die essentieel zijn voor celoverleving, functie en replicatie. Het model gebruikt NVIDIA GPU’s om 7.000 genetische informatieprocessen te simuleren gedurende een celcyclus van 20 minuten – wat volgens wetenschappers de langste en meest complexe celsimulatie tot nu toe is. Hij bouwde een 3D-simulatie die deze fysische en chemische eigenschappen op deeltjesschaal repliceert – waardoor een volledig dynamisch model ontstaat dat het gedrag van een levende cel simuleert.

Kleine cellen zijn eenvoudiger dan natuurlijk voorkomende cellen, waardoor het gemakkelijker is om ze digitaal opnieuw te maken.

“Zelfs de kleinste cel heeft twee miljard atomen nodig”, zegt Zaida Luthy Schulten, hoogleraar scheikunde en mededirecteur van het Centre for Living Cell Physics van de universiteit. “Je kunt zo’n 3D-model niet maken in een realistische menselijke tijdschaal zonder GPU’s.”

Eenmaal getest en verfijnd, kunnen modellen met hele cellen wetenschappers helpen voorspellen hoe veranderingen in de omstandigheden of het genoom van echte cellen hun functie beïnvloeden. Maar zelfs op dit punt kunnen eenvoudige celsimulaties wetenschappers inzicht geven in de fysieke en chemische processen die aan levende cellen ten grondslag liggen.

“Wat we ontdekten, is dat basisgedragingen voortkomen uit de gesimuleerde cel – niet omdat we ze erin hebben geprogrammeerd, maar omdat we de juiste kinetische parameters en lipidemechanismen in ons model hebben,” zei ze.

capillaire microben, GPU-versnellingssoftware ontwikkeld door Luthey-Schulten in samenwerking met Luthey-Schulten en gebruikt voor minimale cel 3D-simulatie, beschikbaar op NVIDIA NGC Softwarecentrum.

Kleine cel met maximaal realisme

Om het levende celmodel te bouwen, simuleerden de Illinois-onderzoekers een van de eenvoudigste levende cellen, een parasitaire bacterie genaamd mycoplasma. Ze baseerden het model op een gereduceerde versie van een mycoplasmacel gemaakt door wetenschappers van het J. Craig Venter Institute in La Jolla, Californië, die minder dan 500 genen had om het levensvatbaar te houden.

Ter vergelijking: een enkele Escherichia coli-cel bevat ongeveer 5.000 genen. Een menselijke cel bevat meer dan 20.000.

Vervolgens gebruikte het team van Luthy-Schulten eigenschappen waarvan bekend is dat ze werken in endogene mycoplasma’s, waaronder aminozuren, nucleotiden, lipiden en metabolieten van kleine moleculen om het model te bouwen met RNA, RNA, eiwitten en membranen.

“We zijn de reacties zo beu dat we alles kunnen reproduceren wat bekend is”, zei ze.

Het Lattice Microbes-programma gebruiken in NVIDIA Tensor Core GPU’sIn het onderzoek voerden de onderzoekers een 3D-simulatie van 20 minuten uit van de levenscyclus van de cel, voordat het zijn DNA exponentieel begon uit te breiden of te repliceren. Het model toonde aan dat de cel het grootste deel van zijn energie besteedde aan het transporteren van moleculen door het celmembraan, wat past bij het uiterlijk van een parasitaire cel.

“Als deze berekeningen sequentieel zouden worden uitgevoerd, of op het volledige atoomniveau, zou het jaren duren”, zei afgestudeerde student en hoofdauteur van het artikel Zane Thornburg. “Maar aangezien het allemaal onafhankelijke processen zijn, kunnen we parallellisme in de code introduceren en profiteren van de GPU’s.”

Thornburg werkt aan een ander GPU-versnellingsproject om 3D-groei en celdeling te simuleren. Het team heeft onlangs geadopteerd NVIDIA DGX-systemen En RTX A5000 GPU’s Om zijn werk verder te versnellen, ontdekte het dat het gebruik van A5000 GPU’s de benchmark-emulatietijd met 40 procent versnelt in vergelijking met een geüpgraded werkstation met een NVIDIA GPU van de vorige generatie.

Meer informatie over onderzoekers die NVIDIA GPU’s gebruiken om wetenschappelijke doorbraken te versnellen Gratis registratie voor NVIDIA GTCHet loopt online van 21 tot 24 maart.

Lees voor een extra perspectief het artikel geschreven door de University of Illinois Urbana-Champaign hier.

Bron: Isha Salian, NVIDIA