Get best of the week

الحواسيب الفائقة وتسلسل الجينوم واحتمالات هزيمة الفيروس التاجي

جاستين إر ، مدير الاتصالات العالمية

قطرة واحدة من السوائل التي ينفثها الشخص يمكن أن تحتوي على مليارات من جزيئات الفيروس التاجي. في كل منها ، مع بعض الاختلافات ، سيكون هناك حوالي 30،000 نيوكليوتيدات من الحمض النووي. هذا مؤشر على كثافة الجينوم الفيروسي ، المسؤول عن كل سمة وخاصية معينة للفيروس - من ضراوة إلى آليات انتقاله. حدد باحثون من الصين ودول أخرى بالفعل عددًا من المتواليات الجينومية لفيروس تاجي سارس- CoV-2 الجديد ، مما يزود العلماء والأطباء بالمعرفة الأساسية لبدء مكافحة العدوى.



دقيقة العناية UFO


COVID-19 — , SARS-CoV-2 (2019-nCoV). — , /, .



, .

, , .

: |

لكن رسم خرائط جينومات الفيروس التاجي هو مجرد بداية العمل. إن تحديد طبيعة الوباء بشكل أكثر تعقيدًا وأهمية بنفس القدر لفهم طبيعة الوباء هو تحديد تسلسل جينومات الأشخاص المصابين. وهذا يطرح أسئلة كثيرة: لماذا يعد فيروس واحد أكثر عدوى من غيره؟ ما هي الآليات التي تؤدي إلى تطور الالتهاب الرئوي لدى بعض المرضى وفقط سعال خفيف عند البعض الآخر؟ كيف سيستجيب المرضى الأفراد للعلاجات أو اللقاحات المختلفة؟

يجب البحث عن الإجابات في مجال التفاعل بين الجينوم البشري وسلالات الفيروس. إن فهم هذه العملية على مستوى الحمض النووي يفتح الطريق لتشخيص الأمراض وتطوير اللقاحات المضادة للفيروسات والعلاج المناعي.



باحثون في BGI Genomics، الذين طوروا أول مجموعات اختبار تشخيصية للكشف عن مرض COVID-19 ، يشاركون في العمل المضني والواسع النطاق لفك شفرة الجينوم لفيروس كورون الجديد. لتطوير لقاح فعال ، يحتاج العلماء إلى مجموعات بيانات ضخمة لتحديد الاختلافات الجينية وخلق الحماية المحتملة. مع مثل هذه العملية واسعة النطاق ، يتم إنشاء تيرابايت وبيتابايت من البيانات ، ومعالجتها وتحليلها يمكن فقط لأنظمة الحوسبة عالية الأداء (HPC) التعامل معها .

تتزايد سرعة تسلسل الجينوم مع نمو قوة الحوسبة. عملية استغرقت أصلاً أكثر من عشر سنواتوتكلف المليارات ، يمكنك الآن العمل في غضون بضع ساعات فقط على مجموعات من أجهزة الكمبيوتر العملاقة التي تعمل على بنية الأجهزة المحسنة. يشدد الباحثون على أن طريق إنشاء لقاح من المحتمل أن يكون طويلًا ، ولكن هذه المجموعة من الأدوات غير المسبوقة ستساعد على تقليل الوقت.


قال Xiangqin Jin ، CTO ، BGI Genomics: "لتحليل وتحديد مضاعفات العدوى الفيروسية ، قامت BGI Genomics بتسلسل مئات العينات السريرية". "يعد الوصول إلى أحدث التقنيات في مجال الحوسبة عالية الأداء والتحليلات الجينومية عاملاً مهمًا في تحسين كفاءة التحليل."


يعمل BGI Genomics باحث مع T7 Sequencer الذي

يريد دعم BGI وتوسيع قدرات باحثين COVID-19 ، انضمت Intel و Lenovo قواهما. قدموا للعلماء مجموعة حواسيب عملاقة ، وعرضوا أيضًا خبرتهم في مجال البرمجيات والأجهزة للاستخدام الأكثر كفاءة.
يوضح ميليدي جيرالدو ، المتخصص في البحث والتطوير الجينومي الرائد في لينوفو: "نحن نبذل قصارى جهدنا لدعم العلماء والمهنيين الطبيين الذين يتصدرون المعركة ضد الفيروس التاجي الجديد".


تتضمن التقنية التي تقدمها Intel و Lenovo لـ BGI مجموعة HPC لمعالجة عمليات القراءة عالية الأداء من جهاز التسلسل BGI DNBSEQ-T7.

عمل الدكتور جيرالدو في أبحاث المعلوماتية الحيوية في المعاهد الوطنية للصحة (NIH) لعدة سنوات ، مما ساهم في تطوير لقاحات لمكافحة الأمراض المعدية. الآن يساعد على تعزيز التفاعل بين العلماء والمهندسين الذين يطورون الأجهزة والبرامج لصناعة العلوم الطبيعية.
"نحن نتبرع بالمعدات ونقدم خبراتنا ، لكن باحثو معهد BGI وغيرهم من ممثلي المجتمع الطبي الحيوي سيقدمون تقدمًا حقيقيًا".

ستدرس مجموعة HPC الفوعة وأنماط انتقال مسببات الأمراض والتفاعلات بين المضيف والفيروس. نتيجة لهذا العمل ، تأمل BGI في تحسين مجموعات التشخيص COVID-19 الخاصة بها ، واكتساب الكثير من المعرفة حول الفيروس التاجي ، وتسريع تطوير لقاح فعال أو تدابير وقائية أخرى - على سبيل المثال ، العلاج المناعي.

فك تشفير الجينوم


يمكن اعتبار جينوم كل شخص على وجه الأرض كتابًا يحتوي على ألف صفحة. لكن نصها غير المعتاد سيحتوي على أربعة أحرف فقط: AGCT. تشير إلى مزيج من النيوكليوتيدات في الحمض النووي وتحتوي على تعليمات لكل سمة ، كل ميزة تجعلك من أنت: تحدد لون شعرك ، والطول وحتى التعرض لمرض مثل COVID-19. تتم كتابة معظم هذه التعليمات بالطريقة نفسها لجميع الأشخاص ، ولكن يتم إخفاء أهم الاختلافات في بضع صفحات فقط.



لفهم كيف يكون الشخص عرضة للعدوى ، يجب على الباحثين تحديد "الصفحات" الدقيقة (أي الجينات) مع التعليمات المناسبة. لا يمكن تحقيق ذلك إلا بمقارنة "صفحات" الحد الأقصى لعدد المرضى الممكن - مع تحديد الخصائص العامة والاستخدام اللاحق للبيانات التي تربط هذه الاختلافات بالاستجابة للعدوى.

عند تسلسل الجينوم ، يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار أن 1 مل من العينة البيولوجية عادة ما تحتوي على ملايين من الفيروسات المختلفة ، وكل منها ، بدوره ، لديه جينوم يحتوي على ما يقرب من 30،000 نيوكليوتيدات من الحمض النووي.

تكمن هذه المهمة الصعبة للغاية في فك تشفير الجينوم وتفسيره في قلب صراع العلماء مع الفيروس التاجي الجديد. قد يكشف فهم التفاعل بين الجينات البشرية المقابلة و SARS-CoV-2 عن طرق لاحتواء العدوى أو إيقافها تمامًا. سيبحث العلماء أيضًا عن "الصفحات" الشائعة في كتاب الفيروس التاجي نفسه - لتحديد مناطق الجينوم التي لا يستطيع العامل الممرض نقل الطفرات فيها. هذا هو نوع من كعب أخيل ، والذي يمكن أن يفتح الطريق لإنشاء لقاح أو طلب العلاج.

تطوير اللقاحات


في الأفلام عن الأوبئة ، كقاعدة عامة ، هناك لحظة يبحث فيها العلماء عن الشخص الوحيد المحصن ضد المرض. هذا أمر منطقي: يمكن أن توفر المناعة الطبيعية رؤية أساسية حول طرق تطوير لقاح فعال.

«, , — . — , , . , , . , , — ».



يتوج الفيروس التاجي حلقة من الأشواك الشبيهة بالتاج ، والتي حددت اسمها.

ضع في اعتبارك استجابتين من المرضى للفيروس: أحدهما يصاب بالتهاب رئوي يهدد الحياة ، والآخر يعاني من سعال خفيف. ما الذي يفسر هذه الاختلافات؟ حصانة منخفضة؟ الاستعداد الوراثي؟ عواقب مرض آخر في الماضي؟ عمر؟ أرضية؟ التغذية؟ هيمنة سلالة معينة من الفيروس؟ مقارنة بين مريضين ليس من السهل الإجابة على هذه الأسئلة. وفيما يتعلق بآلاف الأشخاص ، يزداد تعقيد المهمة عدة مرات.

ومع ذلك ، لن تساعد سوى مجموعة كبيرة من البيانات في بدء عملية دراسة الاختلافات التي لا تعد ولا تحصى في الجينات والعوامل البيئية. كلما زاد لدى العلماء البيانات السريرية والجينومية ، سيكونون قادرين على تحديد السمات المشتركة لدى المرضى المختلفين بشكل أفضل وأكثر دقة.
علم الجينوم على نطاق السكان هو مليارات المعلومات. لدراسة الفيروس التاجي الجديد ، يأمل العلماء في مقارنة الحمض النووي لعشرات الآلاف من المرضى الذين تم تشخيصهم. هذه مهمة معقدة تتطلب قوة معالجة جدية وقدرة عالية ، وهي متاحة فقط في بيئات HPC.

تحسين HPC


هل تتذكر "كتاب" الجينوم؟ الذي استغرق قراءته الأولى عقدًا كاملاً؟ يحلل الباحثون الآن الجينوم في حوالي 150 ساعة. هذه ، بالطبع ، قفزة رائعة ، ولكن لا تزال هذه السرعة لا تكفي للتعامل مع جائحة COVID-19. حتى اختيار وتسلسل البتات التي تشفر بنية البروتين وآلية انتشار الفيروس (وهذه هي "عدة صفحات" تسمى exomes) تستغرق عادة 4 ساعات على الأقل.

يمكن لباحثو BGI الآن الوصول إلى مجموعات HPC المحسنة لجمع وتحليل ما يصل إلى مئات الجينومات والآلاف من exomes.
« , BGI , , — - . — : , , ».

استنادًا إلى حل Intel القوي ، طورت Lenovo بنية محسّنة للأجهزة والأجهزة يمكنها المساعدة في تقليل الوقت المستغرق لفك تشفير الجينوم بشكل كبير. تعمل أداة تحسين علم الجينوم والتطور (GOAST) من شركة Genomic Genomic Research من شركة Lenovo على الاستفادة من مجموعة أدوات تحليل الجينوم البرمجيات مفتوحة المصدر ومنصات الأجهزة المحسنة. يتطلب اختيار مكونات الأجهزة والبرامج المناسبة لتسريع البحث الجينومي اختبار المئات من تكوينات HPC.
« , — - . — , . , « », . , , ».

ونتيجة لذلك ، يتم تسلسل الجينوم البشري بأكمله في خمس ساعات ونصف الساعة ، والخروج في أربع دقائق فقط. التسارع يصل إلى 40 مرة. وبدعم من مجموعة حواسيب عملاقة مخصصة ، سيبدأ باحثو BGI العمل النشط قريبًا باستخدام GOAST لدراسة الفيروس التاجي الجديد وإنشاء لقاح.

على المدى القصير ، يمكن أن يساعد التنبؤ بالفساد القائم على السلالات المهيمنة المستشفيات في تخصيص المرضى بشكل أكثر كفاءة - سيعرفون من هم الأكثر عرضة للخطر والعلاجات الأكثر فعالية. على المدى الطويل ، بالإضافة إلى إنشاء لقاح ، ستساعد معرفة التاريخ الجينومي وأصل الفيروس على منع تفشي المرض في المستقبل. بشكل عام ، هذا لغز ضخم ومعقد بشكل لا يصدق يحتاج إلى حل.

سوف تسرع المعدات والتقنيات الحديثة من التعرف على الأشخاص المصابين بـ COVID-19 ، وستساهم دراسة خصائص جينوم الفيروس في التشخيص الدقيق والعلاج الناجح والوقاية من الأوبئة.

More articles:


All Articles