👃🏼 💃🏻 ✈️ Supercalculateurs, séquençage du génome et perspectives de vaincre le coronavirus 💅🏾 👩🏿‍🤝‍👩🏽 👶

Justin Er, Global Communications Manager

Une goutte de liquide qu'une personne expire peut contenir des milliards de particules de coronavirus. Dans chacun d'eux, avec certaines variations, il y aura environ 30 000 nucléotides d'ADN. Tel est l'indicateur de densité dans le génome viral, qui est responsable de chaque caractéristique et trait spécifique du virus - de sa virulence aux mécanismes de transmission. Des chercheurs chinois et d'autres pays du monde ont déjà identifié un certain nombre de séquences génomiques du nouveau coronavirus SARS-CoV-2, fournissant aux scientifiques et aux médecins des connaissances de base pour commencer la lutte contre l'infection.

UFO Care Minute

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

C
C
()

, .

, , .

: |

Mais cartographier les génomes des coronavirus n'est que le début des travaux. Exponentiellement plus complexe et tout aussi important pour comprendre la nature d'une pandémie est de déterminer la séquence des génomes des personnes infectées. Cela soulève de nombreuses questions: pourquoi un virus est-il plus contagieux que d'autres? Quels mécanismes conduisent au développement d'une pneumonie chez certains patients et seulement d'une légère toux chez d'autres? Comment les patients individuels réagiront-ils aux différents traitements ou vaccins?

Des réponses doivent être recherchées dans le domaine de l'interaction entre le génome humain et les souches virales. La compréhension de ce processus au niveau de l'ADN ouvre la voie au diagnostic des maladies, au développement de vaccins antiviraux et à l'immunothérapie.

Chercheurs à BGI Genomics, qui a développé les premiers kits de tests diagnostiques pour la détection de la maladie COVID-19, est impliqué dans des travaux minutieux et à grande échelle pour déchiffrer le génome du nouveau coronavirus. Pour développer un vaccin efficace, les scientifiques ont besoin d'ensembles de données massifs pour identifier les différences génétiques et créer une protection potentielle. Avec une telle opération à grande échelle, des téraoctets et des pétaoctets de données sont générés, avec le traitement et l'analyse dont seuls les systèmes de calcul haute performance (HPC) peuvent gérer .

La vitesse de séquençage du génome augmente avec la croissance de la puissance de calcul. Un processus qui a pris à l' origine plus de dix anset coûtent des milliards, vous pouvez désormais exécuter en quelques heures seulement des grappes de superordinateurs fonctionnant sur une architecture matérielle optimisée. Les chercheurs soulignent que le chemin vers la création d'un vaccin sera probablement long , mais un tel ensemble d'outils sans précédent contribuera à réduire le temps.

"Pour analyser et identifier les complications d'une infection virale, BGI Genomics a séquencé des centaines d'échantillons cliniques", a déclaré Xiangqin Jin, directeur technique de BGI Genomics. «L'accès aux dernières technologies en matière de calcul haute performance et d'analyse génomique est un facteur important pour améliorer l'efficacité de l'analyse.»

BGI Genomics Researcher travaille avec le séquenceur T7

Désireux de soutenir BGI et de permettre aux chercheurs de COVID-19, Intel et Lenovo ont uni leurs forces. Ils ont présenté aux scientifiques un cluster de superordinateurs et ont également offert leur expertise dans le domaine des logiciels et du matériel pour une utilisation la plus efficace.

«Nous faisons de notre mieux pour soutenir les scientifiques et les médecins qui sont à l'avant-garde de la lutte contre le nouveau coronavirus», explique Milidi Giraldo, leader de la recherche et du développement génomique de Lenovo.

La technologie fournie par Intel et Lenovo pour BGI comprend un cluster HPC pour gérer les opérations de lecture hautes performances à partir du séquenceur BGI DNBSEQ-T7.

Le Dr Giraldo a travaillé sur la recherche en bioinformatique aux National Institutes of Health (NIH) pendant plusieurs années, contribuant au développement de vaccins pour lutter contre les maladies infectieuses. Maintenant, il contribue à favoriser l'interaction entre les scientifiques et les ingénieurs qui développent du matériel et des logiciels pour l'industrie des sciences naturelles.

«Nous donnons de l'équipement et offrons notre expertise, mais les chercheurs du BGI et d'autres représentants de la communauté biomédicale fourniront une véritable percée.»

Le cluster HPC étudiera la virulence, les modes de transmission des agents pathogènes et les interactions entre l'hôte et le virus. Grâce à ces travaux, BGI espère optimiser ses kits de diagnostic COVID-19, acquérir de nombreuses connaissances sur le coronavirus, accélérer le développement d'un vaccin efficace ou d'autres mesures de protection - par exemple, l'immunothérapie.

Décodage du génome

Le génome de chaque personne sur Terre peut être considéré comme un livre de mille pages. Mais son texte inhabituel ne contiendra que quatre lettres: AGCT. Ils dénotent une combinaison de nucléotides dans l'ADN et contiennent des instructions pour chaque trait, chaque caractéristique qui fait de vous qui vous êtes: détermine la couleur de vos cheveux, leur taille et même leur sensibilité à une maladie comme COVID-19. La plupart de ces instructions sont écrites de la même manière pour toutes les personnes, mais les variations les plus importantes sont masquées sur quelques pages seulement.

Pour comprendre comment une personne est susceptible d'être infectée, les chercheurs doivent identifier les «pages» exactes (c'est-à-dire les gènes) avec les instructions appropriées. Cela ne peut se faire qu'en comparant les «pages» du nombre maximum de patients possible - avec l'identification des caractéristiques générales et l'utilisation ultérieure de données reliant ces variations à la réponse à l'infection.

Lors du séquençage d'un génome, il faut tenir compte du fait que 1 ml d'un échantillon biologique contient généralement des millions de virions différents, et chacun d'eux, à son tour, a un génome avec environ 30 000 nucléotides d'ADN.

Cette tâche extrêmement difficile de décodage et d'interprétation du génome est au cœur de la lutte des scientifiques avec le nouveau coronavirus. Comprendre l'interaction entre les gènes humains correspondants et le SRAS-CoV-2 peut révéler des moyens de contenir ou d'arrêter complètement l'infection. Les scientifiques chercheront également des «pages» communes dans le livre du coronavirus lui-même - pour identifier les zones du génome dans lesquelles l'agent pathogène ne peut pas transférer de mutations. C'est une sorte de talon d'Achille, qui peut ouvrir la voie à la création d'un vaccin ou à la recherche d'un traitement.

Développement de vaccins

Dans les films sur les épidémies, en règle générale, il y a un moment où les scientifiques recherchent la seule personne immunisée contre la maladie. Cela a un certain sens: l'immunité naturelle peut fournir un aperçu clé des moyens de développer un vaccin efficace.

«, , — . — , , . , , . , , — ».

Le coronavirus couronne un anneau d'épines en forme de couronne, qui a déterminé son nom.

Considérez deux réponses des patients au virus: l'une développe une pneumonie potentiellement mortelle et l'autre n'a qu'une toux légère. Qu'est-ce qui explique ces différences? Immunité réduite? Prédisposition génétique? Conséquences d'une autre maladie passée? Âge? Sol? Nutrition? La domination d'une souche spécifique du virus? Il n'est pas facile de comparer deux patients pour répondre à ces questions. Et par rapport à des milliers de personnes, la complexité de la tâche augmente plusieurs fois.

Cependant, seule une vaste gamme de données aidera à démarrer le processus d'étude d'innombrables variations des gènes et des facteurs environnementaux. Plus les scientifiques disposeront de données cliniques et génomiques, mieux et plus précisément ils pourront identifier les caractéristiques communes à différents patients.
La génomique à l'échelle de la population représente des milliards d'informations. Pour étudier le nouveau coronavirus, les scientifiques espèrent comparer l'ADN de dizaines de milliers de patients diagnostiqués. Il s'agit d'une tâche complexe nécessitant une puissance de traitement importante et une capacité élevée, disponible uniquement dans les environnements HPC.

Optimisation HPC

Rappelez-vous le «livre» du génome? Celui dont la première lecture a pris une décennie entière? Les chercheurs analysent maintenant le génome en environ 150 heures. C'est, bien sûr, un bond fantastique, mais une telle vitesse n'est pas suffisante pour faire face à la pandémie de COVID-19. Même la sélection et le séquençage de bits qui codent la structure de la protéine et le mécanisme de propagation du virus (et ce sont plusieurs "pages" appelées exomes) prennent généralement au moins 4 heures.

Les chercheurs BGI peuvent désormais accéder à des clusters HPC optimisés pour collecter et analyser des centaines de génomes et des milliers d'exomes.

« , BGI , , — - . — : , , ».

Basé sur la puissante solution d'Intel, Lenovo a développé une architecture matérielle et système optimisée qui peut aider à réduire considérablement le temps nécessaire pour décrypter un génome. L' outil d'optimisation et d'évolutivité Genomic Genomic Research Genomics de Lenovo (GOAST) s'appuie sur le logiciel open source Genome Analysis Toolkit et des plates-formes matérielles optimisées. Le choix des bons composants matériels et logiciels pour accélérer la recherche génomique a nécessité de tester des centaines de configurations HPC.

« , — - . — , . , « », . , , ».

En conséquence, le génome humain entier est séquencé en cinq heures et demie et exom en seulement quatre minutes. L'accélération atteint 40 fois. Soutenus par un cluster de superordinateurs dédié, les chercheurs de BGI commenceront bientôt des travaux actifs en utilisant GOAST pour étudier le nouveau coronavirus et créer un vaccin.

À court terme, la prédiction de la virulence basée sur les souches dominantes peut aider les hôpitaux à répartir les patients plus efficacement - ils sauront qui est le plus à risque et quels traitements seront les plus efficaces. À long terme, en plus de créer un vaccin, la connaissance de l'histoire génomique et de l'origine du virus aidera à prévenir de futures épidémies. En général, il s'agit d'un puzzle incroyablement vaste et complexe qui doit être résolu.

L'équipement et les technologies modernes accéléreront la reconnaissance des personnes infectées par COVID-19, et l'étude des caractéristiques du génome du virus contribuera à un diagnostic précis, à un traitement efficace et à la prévention des épidémies.

Supercalculateurs, séquençage du génome et perspectives de vaincre le coronavirus

UFO Care Minute

Décodage du génome

Développement de vaccins

Optimisation HPC

More articles: