天津——2023年(nian)3月28日，中(zhong)國科學(xue)院天津工業生物(wu)技術(shu)研究(jiu)所(以下簡稱天津工業生物(wu)所)與亞馬遜(xun)云科技聯合(he)在天津舉(ju)辦“生物(wu)計(ji)算設計(ji)“溝通會，就BT+IT結合(he)助力(li)合(he)成生物(wu)學(xue)發展(zhan)的現狀和未來進(jin)行溝通交(jiao)流(liu)。
天(tian)津(jin)工(gong)(gong)業(ye)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)所是中(zhong)國合成(cheng)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)學領域(yu)的核心力量(liang)，由中(zhong)國科學院和天(tian)津(jin)市人民政府(fu)共(gong)建，牽頭組織(zhi)承擔了多(duo)項合成(cheng)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)學、綠色生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)制造等重點研發計(ji)(ji)(ji)劃任務。2019年，天(tian)津(jin)工(gong)(gong)業(ye)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)所成(cheng)立了生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)設(she)計(ji)(ji)(ji)中(zhong)心平臺(tai)實(shi)驗室，并圍(wei)繞(rao)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)計(ji)(ji)(ji)算設(she)計(ji)(ji)(ji)，開始與亞馬遜云科技共(gong)同探索(suo)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)技術(shu)和信息技術(shu)相(xiang)結合(BT+IT)技術(shu)體(ti)系，以進一步推動合成(cheng)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)學發展，以期能夠為(wei)在健康(kang)、能源、農(nong)業(ye)和環境等領域(yu)的重大突破提供技術(shu)支撐。至今已推出(chu)了全球(qiu)首個(ge)基于(yu)圖數據庫(ku)的大腸桿菌調控代(dai)謝關系知識圖譜ERMer和全流程高通量(liang)編(bian)輯(ji)序列設(she)計(ji)(ji)(ji)云平臺(tai)AutoESD等20多(duo)項生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)計(ji)(ji)(ji)算設(she)計(ji)(ji)(ji)工(gong)(gong)具(ju)和軟件應用。云原生(sheng)的開發方式(shi)較傳統方式(shi)大幅縮(suo)短開發時間，總體(ti)運行成(cheng)本大幅降(jiang)低(di)，使得團(tuan)隊可以專(zhuan)注于(yu)業(ye)務代(dai)碼和創新(xin)。
圖數據庫助力構建專業大腸桿菌調控代謝知識圖譜，提升科研效率
細胞中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)代謝(xie)調(diao)(diao)控(kong)(kong)(kong)非(fei)常復雜(za)，一(yi)個特(te)定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)細胞功能往往由一(yi)系列不(bu)同類型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)代謝(xie)途徑(jing)調(diao)(diao)控(kong)(kong)(kong)相互作(zuo)用決定。通(tong)(tong)(tong)常不(bu)同類型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)調(diao)(diao)控(kong)(kong)(kong)數(shu)(shu)據散落(luo)在(zai)各個不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)據庫，生物(wu)(wu)學(xue)家(jia)很難通(tong)(tong)(tong)過僅關(guan)(guan)注與所研究(jiu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)代謝(xie)物(wu)(wu)/蛋白質密切相關(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)兩類相互作(zuo)用來(lai)識(shi)(shi)別這(zhe)種復雜(za)調(diao)(diao)控(kong)(kong)(kong)級聯關(guan)(guan)系。因此，將這(zhe)些不(bu)同類型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)調(diao)(diao)控(kong)(kong)(kong)相互作(zuo)用匯集在(zai)一(yi)起(qi)，并提供方便(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)交互方式(shi)，將極(ji)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方便(bian)(bian)生物(wu)(wu)學(xue)家(jia)挖(wa)掘和理解生物(wu)(wu)體(ti)內的(de)(de)(de)(de)(de)(de)復雜(za)調(diao)(diao)控(kong)(kong)(kong)關(guan)(guan)系。天津工業(ye)生物(wu)(wu)所生物(wu)(wu)設計(ji)中(zhong)心團隊(dui)聯合亞馬遜云科技團隊(dui)在(zai)計(ji)算(suan)生物(wu)(wu)學(xue)國際期刊(kan)Nucleic Acids Research上發表文章(zhang)，發布了(le)(le)全(quan)球首(shou)個基于圖(tu)數(shu)(shu)據庫Amazon Neptune的(de)(de)(de)(de)(de)(de)大腸桿菌調(diao)(diao)控(kong)(kong)(kong)代謝(xie)關(guan)(guan)系知識(shi)(shi)圖(tu)譜ERMer，首(shou)次提供了(le)(le)全(quan)局的(de)(de)(de)(de)(de)(de)代謝(xie)調(diao)(diao)控(kong)(kong)(kong)圖(tu)譜，并通(tong)(tong)(tong)過可視化框架實現了(le)(le)豐富的(de)(de)(de)(de)(de)(de)搜索(suo)功能，如多步(bu)查(cha)詢(xun)、最短(duan)路(lu)徑(jing)查(cha)詢(xun)等。ERMer采用專門(men)為高度(du)關(guan)(guan)聯的(de)(de)(de)(de)(de)(de)復雜(za)數(shu)(shu)據集的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高效存儲和查(cha)詢(xun)設計(ji)圖(tu)數(shu)(shu)據庫架構，這(zhe)打破了(le)(le)傳統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)低(di)效數(shu)(shu)據檢索(suo)方式(shi)，有效增強用戶(hu)和圖(tu)譜的(de)(de)(de)(de)(de)(de)人機(ji)交互，大大降低(di)了(le)(le)使用門(men)檻(jian)。
為充分(fen)發揮知識(shi)圖(tu)譜的(de)(de)價值，生物設計中心團隊(dui)還進一步采用基于圖(tu)神經網(wang)絡(luo)(luo)技術進行推理，成功(gong)實現了轉錄(lu)因子預測(ce)和轉錄(lu)因子靶點預測(ce)等功(gong)能，這(zhe)將有助于挖掘潛(qian)在的(de)(de)關(guan)鍵(jian)調控(kong)因子和調控(kong)靶點，構建(jian)新(xin)的(de)(de)調控(kong)代謝網(wang)絡(luo)(luo)，能夠為研究人員(yuan)提供新(xin)的(de)(de)思路和方向(xiang)。
云原生Serverless應用架構加速生物計算設計工具研發
模(mo)塊(kuai)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)、標(biao)準化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)，是所有工(gong)(gong)程學科的(de)(de)(de)基(ji)礎(chu)，也是合成生(sheng)物(wu)學區別(bie)于(yu)(yu)傳(chuan)統發(fa)(fa)酵(jiao)行(xing)(xing)業(ye)的(de)(de)(de)革命。工(gong)(gong)程學的(de)(de)(de)可(ke)控性(xing)，意味著其將能(neng)夠(gou)(gou)與各(ge)種軟(ruan)硬件進(jin)(jin)行(xing)(xing)結(jie)合，從而(er)走向自(zi)(zi)動化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)與高通(tong)量(liang)，擺脫(tuo)過(guo)往(wang)勞動密集型(xing)的(de)(de)(de)研究模(mo)式(shi)，獲得(de)更(geng)高的(de)(de)(de)技(ji)術迭(die)代(dai)能(neng)力。而(er)對(dui)(dui)于(yu)(yu)這個(ge)(ge)過(guo)程，除了(le)針對(dui)(dui)元(yuan)件工(gong)(gong)具以外，將合成生(sheng)物(wu)學的(de)(de)(de)相(xiang)關(guan)實(shi)驗流(liu)程進(jin)(jin)行(xing)(xing)模(mo)塊(kuai)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)、標(biao)準化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)，也是自(zi)(zi)動化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)研究當(dang)中(zhong)不可(ke)或(huo)缺的(de)(de)(de)一(yi)環。面向微生(sheng)物(wu)遺傳(chuan)操作(zuo)(zuo)，天津工(gong)(gong)業(ye)生(sheng)物(wu)所生(sheng)物(wu)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)中(zhong)心團隊(dui)開(kai)(kai)發(fa)(fa)得(de)到了(le)第一(yi)個(ge)(ge)能(neng)夠(gou)(gou)在所有操作(zuo)(zuo)類型(xing)、任(ren)何基(ji)因組位點和(he)跨物(wu)種上進(jin)(jin)行(xing)(xing)精確(que)、自(zi)(zi)動化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)和(he)高通(tong)量(liang)編輯(ji)序(xu)列(lie)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)云(yun)平臺AutoESD。AutoESD 的(de)(de)(de)開(kai)(kai)發(fa)(fa)采用(yong)了(le)基(ji)于(yu)(yu)云(yun)端的(de)(de)(de)無服(fu)務(wu)(wu)(wu)器架構(gou)，確(que)保了(le)高可(ke)靠性(xing)、穩(wen)健性(xing)和(he)可(ke)擴展性(xing)，能(neng)夠(gou)(gou)在幾分(fen)鐘內并行(xing)(xing)處理(li)包含上千個(ge)(ge)編輯(ji)序(xu)列(lie)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)目標(biao)的(de)(de)(de)數百個(ge)(ge)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)任(ren)務(wu)(wu)(wu)。開(kai)(kai)發(fa)(fa)人(ren)員(yuan)利用(yong)Amazon Step Functions實(shi)現(xian)可(ke)視化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)流(liu)管理(li)，實(shi)現(xian)了(le)編輯(ji)序(xu)列(lie)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)流(liu)的(de)(de)(de)串聯(lian)，從而(er)實(shi)現(xian)應用(yong)的(de)(de)(de)快速(su)構(gou)建和(he)更(geng)新(xin)，同(tong)時快速(su)查詢(xun)處理(li)異(yi)常任(ren)務(wu)(wu)(wu);利用(yong)Amazon Lambda無服(fu)務(wu)(wu)(wu)計(ji)(ji)(ji)算將不同(tong)的(de)(de)(de)引(yin)物(wu)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)、同(tong)源(yuan)(yuan)臂(bei)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)等編輯(ji)序(xu)列(lie)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)模(mo)塊(kuai)封(feng)裝打包，滿足了(le)具體功(gong)能(neng)的(de)(de)(de)模(mo)塊(kuai)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)開(kai)(kai)發(fa)(fa)要求，并方便地對(dui)(dui)功(gong)能(neng)模(mo)塊(kuai)進(jin)(jin)行(xing)(xing)管理(li)和(he)共享;利用(yong)Amazon DynamoDB提供毫(hao)秒級(ji)的(de)(de)(de)動態資源(yuan)(yuan)響應性(xing)能(neng)，并自(zi)(zi)動擴展所需資源(yuan)(yuan)以應對(dui)(dui)增加(jia)的(de)(de)(de)業(ye)務(wu)(wu)(wu)需求。這些Serverless服(fu)務(wu)(wu)(wu)幫助(zhu)天津工(gong)(gong)業(ye)生(sheng)物(wu)所團隊(dui)進(jin)(jin)一(yi)步簡化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)運(yun)維，使(shi)得(de)開(kai)(kai)發(fa)(fa)人(ren)員(yuan)可(ke)以專注于(yu)(yu)業(ye)務(wu)(wu)(wu)代(dai)碼和(he)創新(xin)，與傳(chuan)統開(kai)(kai)發(fa)(fa)方式(shi)相(xiang)比，開(kai)(kai)發(fa)(fa)時間縮短了(le)75%，總體擁有成本降低高達50%。
未來，天(tian)津工業生物(wu)所(suo)團隊希望(wang)基于(yu)亞馬(ma)遜(xun)云(yun)(yun)科技(ji)先(xian)進(jin)的(de)服(fu)務(wu)技(ji)術和能(neng)力(li)，開展(zhan)更多“BT+IT”的(de)研(yan)發工作，進(jin)一步助力(li)研(yan)究(jiu)所(suo)在(zai)合成生物(wu)領域的(de)科研(yan)探索(suo)。此外，也期望(wang)通過亞馬(ma)遜(xun)云(yun)(yun)科技(ji)的(de)全球(qiu)科研(yan)領域輻射能(neng)力(li)，提升天(tian)津工業生物(wu)所(suo)生物(wu)計(ji)算設計(ji)方面的(de)國際影響力(li)，為世界各(ge)國的(de)合成生物(wu)學科研(yan)工作者提供優質(zhi)服(fu)務(wu)。
天津工業生物所生物設計中心主任馬紅武表示(shi)：“中國科學院天津工業生(sheng)物(wu)技(ji)(ji)術研究所肩負著國家工業生(sheng)物(wu)技(ji)(ji)術發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)重(zhong)任，并正在(zai)加速利用云(yun)計算推(tui)動(dong)相關(guan)技(ji)(ji)術的(de)(de)(de)研發(fa)(fa)和(he)(he)成(cheng)(cheng)果落地。亞馬(ma)遜云(yun)科技(ji)(ji)提供的(de)(de)(de)圖(tu)數(shu)據庫(ku)和(he)(he)Serverless服務，突破傳統的(de)(de)(de)開(kai)發(fa)(fa)模式、提升研發(fa)(fa)效率、不(bu)斷(duan)優化(hua)云(yun)上成(cheng)(cheng)本，生(sheng)物(wu)技(ji)(ji)術和(he)(he)信(xin)息技(ji)(ji)術相結合(he)的(de)(de)(de)技(ji)(ji)術體系將(jiang)進一(yi)步推(tui)動(dong)合(he)成(cheng)(cheng)生(sheng)物(wu)領(ling)域的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)和(he)(he)創(chuang)新。”
亞馬遜云科技中國區商用與公共市場事業部總經理李曉芒表(biao)示：“亞馬遜云科技(ji)(ji)(ji)為全球數(shu)千(qian)家(jia)生命(ming)科學(xue)領(ling)域(yu)客(ke)戶(hu)提供云服(fu)務和行業解(jie)決方(fang)案(an)，助力從實驗室到真實世界，全面加速生命(ming)科學(xue)數(shu)字(zi)化創新。我們(men)很(hen)高興能夠與天津工(gong)業生物所一道，通(tong)過云技(ji)(ji)(ji)術和深厚的(de)(de)行業實踐推動合成生物學(xue)領(ling)域(yu)的(de)(de)技(ji)(ji)(ji)術進(jin)步，開拓生物制(zhi)造產業的(de)(de)數(shu)字(zi)化創新路(lu)徑。”
