3月28日,中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称天津工业生物所)与亚马逊云科技联合在天津举办“生物计算设计“沟通会,就BT+IT结合助力合成生物学发展的现状和未来进行沟通交流。

天津工业生物所是中国合成生物学领域的核心力量,由中国科学院和天津市人民政府共建,牵头组织承担了多项合成生物学、绿色生物制造等重点研发计划任务。2019年,天津工业生物所成立了生物设计中心平台实验室,并围绕生物计算设计,开始与亚马逊云科技共同探索生物技术和信息技术相结合(BT+IT)技术体系,以进一步推动合成生物学发展,以期能够为在健康、能源、农业和环境等领域的重大突破提供技术支撑。至今已推出了全球首个基于图数据库的大肠杆菌调控代谢关系知识图谱ERMer和全流程高通量编辑序列设计云平台AutoESD等20多项生物计算设计工具和软件应用。云原生的开发方式较传统方式大幅缩短开发时间,总体运行成本大幅降低,使得团队可以专注于业务代码和创新。

图数据库助力构建专业大肠杆菌调控代谢知识图谱,提升科研效率

细胞中的代谢调控非常复杂,一个特定的细胞功能往往由一系列不同类型的代谢途径调控相互作用决定。通常不同类型的调控数据散落在各个不同的数据库,生物学家很难通过仅关注与所研究的代谢物/蛋白质密切相关的一两类相互作用来识别这种复杂调控级联关系。因此,将这些不同类型的调控相互作用汇集在一起,并提供方便的交互方式,将极大的方便生物学家挖掘和理解生物体内的复杂调控关系。天津工业生物所生物设计中心团队联合亚马逊云科技团队在计算生物学国际期刊Nucleic Acids Research上发表文章,发布了全球首个基于图数据库Amazon Neptune的大肠杆菌调控代谢关系知识图谱ERMer,首次提供了全局的代谢调控图谱,并通过可视化框架实现了丰富的搜索功能,如多步查询、最短路径查询等。ERMer采用专门为高度关联的复杂数据集的高效存储和查询设计图数据库架构,这打破了传统的低效数据检索方式,有效增强用户和图谱的人机交互,大大降低了使用门槛。

为充分发挥知识图谱的价值,生物设计中心团队还进一步采用基于图神经网络技术进行推理,成功实现了转录因子预测和转录因子靶点预测等功能,这将有助于挖掘潜在的关键调控因子和调控靶点,构建新的调控代谢网络,能够为研究人员提供新的思路和方向。

云原生Serverless应用架构加速生物计算设计工具研发

模块化、标准化,是所有工程学科的基础,也是合成生物学区别于传统发酵行业的革命。工程学的可控性,意味着其将能够与各种软硬件进行结合,从而走向自动化与高通量,摆脱过往劳动密集型的研究模式,获得更高的技术迭代能力。而对于这个过程,除了针对元件工具以外,将合成生物学的相关实验流程进行模块化、标准化,也是自动化研究当中不可或缺的一环。面向微生物遗传操作,天津工业生物所生物设计中心团队开发得到了第一个能够在所有操作类型、任何基因组位点和跨物种上进行精确、自动化和高通量编辑序列设计的云平台AutoESD。AutoESD 的开发采用了基于云端的无服务器架构,确保了高可靠性、稳健性和可扩展性,能够在几分钟内并行处理包含上千个编辑序列设计目标的数百个设计任务。开发人员利用Amazon Step Functions实现可视化的工作流管理,实现了编辑序列设计工作流的串联,从而实现应用的快速构建和更新,同时快速查询处理异常任务;利用Amazon Lambda无服务计算将不同的引物设计、同源臂设计等编辑序列设计模块封装打包,满足了具体功能的模块化开发要求,并方便地对功能模块进行管理和共享;利用Amazon DynamoDB提供毫秒级的动态资源响应性能,并自动扩展所需资源以应对增加的业务需求。这些Serverless服务帮助天津工业生物所团队进一步简化运维,使得开发人员可以专注于业务代码和创新,与传统开发方式相比,开发时间缩短了75%,总体拥有成本降低高达50%。

未来,天津工业生物所团队希望基于亚马逊云科技先进的服务技术和能力,开展更多“BT+IT”的研发工作,进一步助力研究所在合成生物领域的科研探索。此外,也期望通过亚马逊云科技的全球科研领域辐射能力,提升天津工业生物所生物计算设计方面的国际影响力,为世界各国的合成生物学科研工作者提供优质服务。

天津工业生物所生物设计中心主任马红武表示:“中国科学院天津工业生物技术研究所肩负着国家工业生物技术发展的重任,并正在加速利用云计算推动相关技术的研发和成果落地。亚马逊云科技提供的图数据库和Serverless服务,突破传统的开发模式、提升研发效率、不断优化云上成本,生物技术和信息技术相结合的技术体系将进一步推动合成生物领域的发展和创新。”

亚马逊云科技中国区商用与公共市场事业部总经理李晓芒表示:“亚马逊云科技为全球数千家生命科学领域客户提供云服务和行业解决方案,助力从实验室到真实世界,全面加速生命科学数字化创新。我们很高兴能够与天津工业生物所一道,通过云技术和深厚的行业实践推动合成生物学领域的技术进步,开拓生物制造产业的数字化创新路径。”

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