_ Două facilități colaborează pentru progresele biologiei structurale cu lasere cu raze X cu electroni liberi și calcule exascale

Planurile de a uni capacitățile a două facilități tehnologice de ultimă oră promit să inaugureze o nouă eră a biologiei structurale dinamice. Prin inițiativa DOE Integrated Research Infrastructure, sau IRI, facilitățile se vor completa reciproc tehnologiile în căutarea științei, în ciuda faptului că se află la aproape 2.500 de mile una de cealaltă.

Sursa de lumină coerentă Linac, sau LCLS, care este situată la Laboratorul național de accelerație SLAC al DOE din California, dezvăluie dinamica structurală a atomilor și moleculelor prin instantanee cu raze X furnizate de un accelerator liniar la intervale de timp ultrarapide.

Odată cu lansarea de anul trecut a upgrade-ului LCLS-II, maximul numărul instantaneelor ​​sale va crește de la 120 de impulsuri pe secundă la 1 milion de impulsuri pe secundă, oferind astfel un nou instrument puternic pentru investigația științifică. De asemenea, înseamnă că cercetătorii vor produce cantități mult mai mari de date pentru a fi analizate.

Frontier, cel mai puternic supercomputer științific din lume, a fost lansat în 2022 la Laboratorul Național Oak Ridge al DOE din Tennessee. Fiind primul sistem de clasă exascale – capabil de un quintilion sau mai multe calcule pe secundă – rulează simulări de o scară și rezoluție fără precedent.

În cadrul IRI, o echipă de la ORNL și SLAC stabilește un portal de date care va permite Frontier să prelucreze rezultatele experimentelor efectuate de LCLS-II. Oamenii de știință și utilizatorii de la LCLS vor folosi puterea de calcul a ORNL pentru a-și studia datele, pentru a efectua simulări și pentru a-și informa mai rapid experimentele în desfășurare, totul într-un cadru perfect.

Dezvoltatorii din spatele acestui flux de lucru sinergetic își propun să facă din acesta un drum. hartă pentru viitoare colaborări științifice la unitățile DOE și ei subliniază acest flux de lucru într-o lucrare publicată în Current Opinion in Structural Biology. Autorii includ cercetătorii Sandra Mous, Fred Poitevin și Mark Hunter de la SLAC și Dilip Asthagiri și Tom Beck de la ORNL.

„Este cu adevărat o perioadă incitantă de creștere rapidă simultană a instalațiilor experimentale precum LCLS-II. și calculul exascale cu Frontier Articolul nostru rezumă progresul experimental și de simulare recent în studiile la nivel atomic ale dinamicii biomoleculare și prezintă o viziune pentru integrarea acestor evoluții”, a spus Beck, șeful de secție de implicare științifică la Centrul Național pentru Științe Computaționale al DOE la ORNL.

Colaborarea a germinat prin discuții dintre Beck și Hunter despre misiunea reciprocă a laboratoarelor lor de a aborda știința „mare” și cum să-și pună în comun resursele.

„Avem aceste supercalculatoare uimitoare care vin online. , începând de la ORNL, și noul accelerator liniar supraconductor cu frecvență ridicată a pulsului de la LCLS va fi transformator în ceea ce privește tipul de date pe care le vom putea colecta. Este greu să captăm aceste date, dar acum avem o scară care poate ține evidența.

„Dacă le asociezi pe acestea două, viziunea pe care încercăm să o arătăm este că această combinație va fi transformatoare pentru bioștiințe și alte științe care avansează”, a spus Hunter, om de știință senior la LCLS și șeful Departamentului său de Științe Biologice.

Când LCLS a început să funcționeze în 2009, a prezentat o tehnologie revoluționară pentru studiul aranjamentelor atomice ale moleculelor precum proteinele sau acizii nucleici: electroni liberi cu raze X. lasere sau XFEL. În comparație cu metodele anterioare care foloseau surse de lumină sincrotron, XFEL-urile cresc semnificativ luminozitatea, așa că sunt folosiți mai mulți fotoni de raze X pentru a sonda proba.

În plus, aceste raze X sunt trimise sub formă de lumină laser. impulsuri care durează doar câteva zeci de femtosecunde, iar aceasta este mult mai comprimată în timp în comparație cu alte surse de lumină.

Deși razele X oferă rezoluția spațială pentru a înțelege unde se află atomii în spațiu, ele sunt, de asemenea, radiații ionizante, așa că dăunează în mod intrinsec structurilor pe care oamenii de știință încearcă să le înțeleagă. Cu cât expunerea este mai lungă, cu atât este mai mare daune aduse eșantionului.

„Din punct de vedere istoric, toate aceste determinări ale structurii au fost o cursă. Puteți obține informațiile de care aveți nevoie la o rezoluție spațială suficient de mare pentru a le înțelege înainte de a degrada acea probă cu raze X până la punctul în care nu mai este reprezentativă?" Hunter a spus.

„LCLS a făcut ca toate razele X să apară mai repede decât poate reacționa molecula la ele, astfel încât cursa dintre colectarea informațiilor și deteriorarea structurii a fost întreruptă – eșantionul nu poate fi deteriorat în timpul în care sosește un singur impuls LCLS.”

Cu capacitatea LCLS-II de a lua rapid mai multe instantanee cu raze X ale unei probe, acesta poate fi capabil să surprindă evenimente rare care altfel ar putea fi inobservabil.

„Există stări foarte importante de scurtă durată în biologie, pe care, din păcate, în prezent, nu le surprindem întotdeauna din cauza duratelor lor limitate de viață”, a spus Mous, om de știință asociat la SLAC și conducător. autorul lucrării echipei.

„Dar cu LCLS-II, s-ar putea cu adevărat să putem face multe mai multe instantanee, permițându-ne să observăm aceste evenimente rare și să înțelegem mult mai bine dinamica și mecanismul de biomolecule."

Într-un experiment tipic, LCLS original ar putea transmite 120 de impulsuri de raze X pe secundă către mostre, generând astfel aproximativ 120 de imagini pe secundă - sau 1 până la 10 gigaocteți de date de imagine pe secundă — toate acestea au fost gestionate de infrastructura de calcul internă a SLAC.

Cu capacitățile extinse ale noului accelerator liniar supraconductor, acesta poate trimite 1 milion de impulsuri de raze X pe secundă către mostre, creând astfel până la 1 terabyte de date de imagine pe secundă.

„Este de cel puțin 1.000 de ori mai mult decât facem astăzi, așa că, având în vedere cantitatea de date cu care suntem obișnuiți să ne confruntăm în timpul săptămânii, acum trebuie să facem asta într-un interval de timp. ora. Și pur și simplu nu mai putem face asta la nivel local. Vor exista explozii în care va trebui să livrăm datele undeva unde să le putem studia, altfel, le pierdem”, a spus Poitevin, om de știință în cadrul diviziei de sisteme de date a LCLS.

Poitevin conduce dezvoltarea de instrumentele de calcul pentru infrastructura de date a LCLS, inclusiv interfața de programare a aplicațiilor pentru noul portal de date, care a început testarea la începutul acestui an pe supercomputerul ORNL din generația anterioară, Summit.

Atât Summit, cât și Frontier sunt gestionate de Oak. Ridge Leadership Computing Facility, care este o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science, situată la ORNL. Proiectului i-a fost alocat timp de calcul pe Summit prin programul DOE SummitPLUS, care extinde funcționarea supercomputerului până în octombrie 2024 cu 108 proiecte care acoperă gama de investigații științifice.

„Cu capacitățile de rată mare de repetiție ale noului accelerator liniar, experimentele se desfășoară acum într-un ritm mult mai rapid. Trebuie să furnizăm feedback care să fie util utilizatorilor și nu ne putem permite să așteptăm o săptămână, deoarece experimentul poate dura doar câteva zile”, a spus Poitevin.

„Trebuie să închide bucla dintre analiza și controlul experimentului. Cum luăm rezultatele analizei noastre în toată țara, apoi aducem înapoi informațiile necesare exact la timp pentru a lua deciziile corecte?"

Acesta este punctul în noul flux de lucru în care oamenii de știință seniori în domeniul biomedicalului computațional Asthagiri și Beck intră. Ca parte a grupului de calcul avansat pentru științe și inginerie de la ORNL, Asthagiri este specializat în simulări biomoleculare.

Puterea de calcul a lui Frontier îi va permite să dezvolte metode de calcul cu date LCLS-II care îi vor permite trimițând rapid informații în timp util înapoi oamenilor de știință de la SLAC.

„Corespondența aproape unu-la-unu dintre experimentele XFEL și simulările de dinamică moleculară deschide posibilități interesante”, a spus Asthagiri.

„De exemplu, simulările oferă informații despre macromolecule. răspuns la diferite condiții externe, iar acest lucru poate fi testat în experimente. De asemenea, încercarea de a surprinde stările conformaționale observate experimental poate informa modelele de simulare.”

LCLS-II este în prezent în curs de punere în funcțiune, dar Hunter estimează. că investigațiile de biologie ale instrumentului se vor intensifica în aproximativ trei ani, iar echipa va folosi portalul de date către ORNL pentru mai multe proiecte între timp.

Cu capacitatea mult îmbunătățită a LCLS-II de a capta o gamă largă de elemente moleculare. mișcare și cu analiza datelor de la Frontier, Hunter are încredere în impactul proiectului asupra științei. Obținerea unei noi înțelegeri a dinamicii structurale a proteinelor poate accelera dezvoltarea țintelor medicamentoase, de exemplu, sau poate duce la identificarea moleculelor asociate cu o boală care poate fi tratată cu un anumit medicament.

„Se poate deschide un mod cu totul nou de a încerca să proiecteze terapii Fiecare moment diferit al unei biomolecule ar putea fi drogat în mod independent dacă ai înțelege cum arată această moleculă sau știi ce face această moleculă”, a spus Hunter.

„Sau. dacă ar fi să mergi cu biologia sintetică sau aplicațiile bio-industriale, poate înțelegerea unor părți ale fluctuațiilor acestor molecule te-ar putea ajuta să proiectezi un catalizator mai bun.”

Realizarea unor astfel de descoperiri științifice necesită o integrare strânsă între specialiști. facilități, iar Hunter atribuie coeziunea echipelor IRI.

„Trebuie să avem IRI în spatele acestui lucru pentru ca astfel de colaborări nu vor funcționa dacă toate facilitățile vorbesc o altă limbă. Și Cred că ceea ce aduce IRI este acest limbaj comun pe care trebuie să-l construim”, a spus el.

(Fluierul)