突破傳統(tǒng)開發(fā)模式，亞馬遜云科技助力中科院加速推動(dòng)合成生物學(xué)

當(dāng)數(shù)字技術(shù)成為整個(gè)社會(huì)運(yùn)行的底座

生物科學(xué)也能借力云計(jì)算

從諸多繁瑣重復(fù)的工作中解放出來

專注于生物設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

來看看亞馬遜云科技如何與TIBCAS合作

推動(dòng)合成生物學(xué)的發(fā)展

中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（TIBCAS）是一家從事工業(yè)生物技術(shù)研發(fā)的科研機(jī)構(gòu)，由中國(guó)科學(xué)院和天津市人民政府共建。2019年，由TIBCAS牽頭建設(shè)的國(guó)家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心正式啟動(dòng)建設(shè)，生物設(shè)計(jì)中心是其重要的平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室之一。從創(chuàng)立之初，生物設(shè)計(jì)中心就在探索一種不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)新模式，以數(shù)據(jù)和算法為核心，通過構(gòu)建生物技術(shù)和信息技術(shù)相結(jié)合（BT+IT）的技術(shù)體系，在未來將菌種設(shè)計(jì)構(gòu)建的主要工作交由計(jì)算機(jī)完成。

自2019年TIBCAS就開始和亞馬遜云科技共同探索，如何通過云計(jì)算助力TIBCAS在菌種計(jì)算設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)檢索方面的創(chuàng)新。借助亞馬遜云科技豐富的Serverless服務(wù)和圖數(shù)據(jù)庫(kù)Amazon Neptune技術(shù)，TIBCAS構(gòu)建了高通量編輯序列設(shè)計(jì)云平臺(tái)AutoESD和完整的大腸桿菌調(diào)控知識(shí)圖譜ERMer，大幅提升一線研究人員的研發(fā)效率。

1 明確核心需求，選擇合作伙伴

“圍繞細(xì)胞工廠設(shè)計(jì)創(chuàng)制的核心任務(wù)，生物設(shè)計(jì)中心主要有兩大方面的工作，其一是研發(fā)計(jì)算機(jī)輔助生物設(shè)計(jì)工具；其二是開發(fā)核心數(shù)據(jù)庫(kù)”TIBCAS項(xiàng)目研究員廖小平介紹說。

在合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，一個(gè)重要的步驟就是編輯序列設(shè)計(jì)，關(guān)系到最終目標(biāo)細(xì)胞工廠是否能夠成功構(gòu)建。目前的編輯序列設(shè)計(jì)仍然依靠人工或“半自動(dòng)化”的模式：人工設(shè)計(jì)高度依賴研究者自身的經(jīng)驗(yàn)，因其主觀性和偏好性會(huì)導(dǎo)致結(jié)果千差萬別；而“半自動(dòng)化”設(shè)計(jì)，雖由計(jì)算機(jī)輔助，但因?yàn)閱我还ぞ咄荒芨采w遺傳操作的部分環(huán)節(jié)，研究過程必須協(xié)同使用多款軟件，既增加了學(xué)習(xí)成本，又由于彼此間的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)不一致，導(dǎo)致出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。

如今，大規(guī)模合成生物制造平臺(tái)——生物鑄造廠（BioFoundry）高速發(fā)展，使高通量的遺傳操作成為可能，相關(guān)實(shí)驗(yàn)流程也越來越模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，人工或“半自動(dòng)化”模式很難實(shí)現(xiàn)高通量、自動(dòng)化的微生物構(gòu)建，影響開發(fā)效率。

而對(duì)于“開發(fā)核心數(shù)據(jù)庫(kù)”的需求，廖小平解釋到：“細(xì)胞中的代謝調(diào)控非常復(fù)雜，不同類型的調(diào)控?cái)?shù)據(jù)通常散落在各個(gè)不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，很難對(duì)這些調(diào)控關(guān)系實(shí)現(xiàn)全局性認(rèn)識(shí)，只有重新設(shè)計(jì)一個(gè)存儲(chǔ)和分析高連接數(shù)據(jù)的新框架，將這些不同類型的代謝調(diào)控相互作用匯集在一起，并提供方便的交互方式，才能方便生物學(xué)家挖掘和理解生物體內(nèi)的復(fù)雜調(diào)控關(guān)系?！?/p>

TIBCAS之所以選擇與亞馬遜云科技合作，一是亞馬遜云科技針對(duì)科研領(lǐng)域提供了具有行業(yè)深度的解決方案，在云服務(wù)上能夠滿足不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求，并具備典型的成功案例，同時(shí)，亞馬遜云科技有豐富工業(yè)生物行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，能夠理解TIBCAS行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，并提供有深度的指導(dǎo)意見；二是亞馬遜云科技Serverless技術(shù)成熟，多項(xiàng)創(chuàng)新托管服務(wù)極大簡(jiǎn)化了行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新難度；三是亞馬遜云科技專業(yè)服務(wù)團(tuán)隊(duì)提供全生命周期技術(shù)支持，能加速項(xiàng)目落地；四是通過亞馬遜云科技創(chuàng)新研究資助計(jì)劃，可以對(duì)TIBCAS科研項(xiàng)目提供支持。

2 亞馬遜云科技的多項(xiàng)服務(wù)

助力TIBCAS實(shí)現(xiàn)行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新

·基于Serverless架構(gòu)開發(fā)AutoESD云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和高通量的編輯序列設(shè)計(jì)

Serverless服務(wù)輕量化且易于使用，與生物工程真實(shí)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景結(jié)合，能更便捷地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的工作流編排和異常處理，提供輕量化且足夠彈性的算力需求，能夠進(jìn)行模塊化封裝和復(fù)用的組件等需求。為此，TIBCAS通過對(duì)遺傳操作技術(shù)的模塊化解構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)合亞馬遜云科技提供的Serverless服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了全流程、自動(dòng)化和高通量的編輯序列設(shè)計(jì)，開發(fā)出云平臺(tái)AutoESD。該平臺(tái)支持多種基于篩選標(biāo)記的同源重組技術(shù)變種，理論上支持所有基因組序列已知的微生物，并可以在單批次任務(wù)中處理針對(duì)不同目標(biāo)序列（CDS或基因間區(qū)域）的多種類型的遺傳操作（敲除、插入和替換）。

廖小平介紹說：“基于云上的無服務(wù)器架構(gòu)模式，我們構(gòu)建了第一個(gè)適用所有操作類型、任何基因組位點(diǎn)和跨物種的精確、自動(dòng)化和高通量編輯序列設(shè)計(jì)的云平臺(tái)AutoESD，大大降低了一線科研人員使用工具的門檻，為將來實(shí)現(xiàn)快速高效的‘設(shè)計(jì)—構(gòu)建—測(cè)試—學(xué)習(xí)’合成生物學(xué)工程循環(huán)奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

此外，TIBCAS開發(fā)的IMODB、BioTools等工具也采用同樣的底層架構(gòu)，由Amazon Simple Storage Service（Amazon S3）和Amazon DynamoDB分別為靜態(tài)資源和動(dòng)態(tài)資源的存儲(chǔ)提供支持，Amazon API Gateway實(shí)現(xiàn)API接口，后端通過Amazon Lambda和Amazon Batch來承載不同算力需求的任務(wù)，Amazon Step Functions能夠幫助工程師更好的管理序列設(shè)計(jì)工作流，以及處理工作流中復(fù)雜的任務(wù)依賴關(guān)系。在部署上，基礎(chǔ)架構(gòu)部分都通過CDK完成基礎(chǔ)架構(gòu)代碼化，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化部署和版本管理，在業(yè)務(wù)層面如頁(yè)面前端、后端復(fù)雜計(jì)算過程，通過CI/CD實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化集成和部署。

·借助Amazon Neptune設(shè)計(jì)ERMer，探索完整的大腸桿菌調(diào)控知識(shí)圖譜

在“開發(fā)核心數(shù)據(jù)庫(kù)”時(shí)，TIBCAS聯(lián)合亞馬遜云科技針對(duì)微生物領(lǐng)域真實(shí)業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求，基于Amazon Neptune圖數(shù)據(jù)庫(kù)、無服務(wù)器架構(gòu)和圖形可視化引擎，設(shè)計(jì)出一款存儲(chǔ)和分析高連接數(shù)據(jù)的新框架，實(shí)現(xiàn)了有效的交互式檢索和可視化，該框架具有很好的通用性和擴(kuò)展性，可以非常方便地延伸到生物學(xué)多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域和物種的研究中。利用該框架，TIBCAS開發(fā)了目前第一個(gè)基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)的大腸桿菌調(diào)控知識(shí)圖譜ERMer。ERMer實(shí)現(xiàn)了多種復(fù)雜調(diào)控級(jí)聯(lián)或模式的快速檢索和可視化，讓科研人員能夠以交互式、無需編程的方法探索完整的大腸桿菌調(diào)控圖譜。

TIBCAS基于亞馬遜云科技的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

“Amazon Neptune是我們知識(shí)的載體，能夠高效存儲(chǔ)和檢索高度復(fù)雜關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，在業(yè)務(wù)場(chǎng)景應(yīng)用中相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)提升了數(shù)百倍的性能，”廖小平表示，“同時(shí)，Amazon Neptune也是我們實(shí)現(xiàn)圖譜核心能力的載體，能夠?qū)⒌湫汀?fù)雜的生物學(xué)問題轉(zhuǎn)化為圖論問題，科研人員只需要輸入所關(guān)注的途徑名稱，即可獲得所有調(diào)控代謝物的可視化結(jié)果，提升了科研工作效率。”

為了進(jìn)一步發(fā)揮知識(shí)圖譜的價(jià)值，TIBCAS還采用了Amazon Neptune ML來訓(xùn)練模型，通過使用圖譜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄因子預(yù)測(cè)和轉(zhuǎn)錄因子靶點(diǎn)預(yù)測(cè)等功能。

3 獲得的收益

TIBCAS通過亞馬遜云科技提供的多項(xiàng)創(chuàng)新托管服務(wù)，尤其是Serverless服務(wù)和架構(gòu)優(yōu)化，在流量峰值、訪問穩(wěn)定、成本優(yōu)化和運(yùn)維簡(jiǎn)化等方面都取得了令人滿意的成效，極大地簡(jiǎn)化了行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新與發(fā)展的難度，加速了通過數(shù)字化能力對(duì)合成生物學(xué)的推動(dòng)。

·無服務(wù)器架構(gòu)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大高通量性能

通過采用無服務(wù)器架構(gòu)模式，AutoESD云平臺(tái)具有非常強(qiáng)大的高通量性能，可以同時(shí)支撐幾百個(gè)終端用戶，每個(gè)用戶可以提交幾千個(gè)編輯目標(biāo)設(shè)計(jì)需求，并且僅需幾分鐘時(shí)間便可得到反饋結(jié)果，即使面對(duì)研究成果發(fā)布或迭代時(shí)，TIBCAS也可從容應(yīng)對(duì)流量峰值。

·簡(jiǎn)化運(yùn)維，讓研究人員專注于業(yè)務(wù)代碼和創(chuàng)新

系統(tǒng)依托Serverless技術(shù)實(shí)現(xiàn)原生高可用、高性能，且基于CDK對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行代碼化后，能夠?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的自動(dòng)化部署與更新，同時(shí)保證生產(chǎn)與測(cè)試環(huán)境的一致性，降低人工運(yùn)維壓力，且開發(fā)實(shí)踐時(shí)間大幅縮短，僅為之前的四分之一，大幅提升了研發(fā)效率。

·成本節(jié)約，資源精準(zhǔn)匹配業(yè)務(wù)

無需硬件成本投入，即能保證業(yè)務(wù)在被請(qǐng)求時(shí)可以及時(shí)獲得響應(yīng)，且大部分服務(wù)都能夠按秒甚至毫秒計(jì)費(fèi)，成本投入能夠更精細(xì)地匹配到業(yè)務(wù)，相比傳統(tǒng)方案TCO降低了50%，實(shí)現(xiàn)更細(xì)粒度的按需付費(fèi)。

未來，TIBCAS希望基于亞馬遜云科技先進(jìn)的服務(wù)技術(shù)和能力，進(jìn)一步助力研究所在合成生物領(lǐng)域的科研探索，如進(jìn)一步通過AI、量子計(jì)算等服務(wù)開展科研創(chuàng)新等。此外，也期望依托于亞馬遜云科技的全球科研領(lǐng)域輻射能力，提升TIBCAS國(guó)際影響力，為世界各國(guó)的合成生物學(xué)科研工作者提供最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

4 關(guān)于TIBCAS

中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱TIBCAS）成立于2012年，是由中國(guó)科學(xué)院和天津市人民政府共建、從事生物技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域生態(tài)發(fā)展的科研機(jī)構(gòu)。TIBCAS圍繞綠色低碳和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大需求，面向國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)和工業(yè)生物科技前沿，以生物設(shè)計(jì)為核心，開展工業(yè)生物技術(shù)戰(zhàn)略性、前瞻性的基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，集聚工業(yè)生物科技力量，創(chuàng)新生物產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)與重大顛覆性技術(shù)，構(gòu)建工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生態(tài)路線，服務(wù)我國(guó)綠色生物經(jīng)濟(jì)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的發(fā)展。截至目前，TIBCAS已經(jīng)承擔(dān)了各類科研項(xiàng)目約700項(xiàng)，在生物醫(yī)藥、化工產(chǎn)業(yè)、紡織、發(fā)酵等領(lǐng)域?yàn)?8個(gè)省市的幾百家企業(yè)提供服務(wù)。

TIBCAS在與亞馬遜云科技的合作中，重點(diǎn)使用了這些產(chǎn)品：Amazon S3、Amazon Lambda、Amazon Neptune、Amazon Batch、Amazon DynamoDB和Amazon API Gateway。同時(shí)，也離不開如下的重點(diǎn)領(lǐng)域科研支持：亞馬遜云科技科研支持計(jì)劃（Amazon Cloud Credit for Research）、亞馬遜云科技杰出研發(fā)獎(jiǎng)（Amazon Research Awards）、亞馬遜云科技科學(xué)頻道（Amazon Sciences）。未來，雙方也會(huì)繼續(xù)努力在合成生物領(lǐng)域達(dá)成更堅(jiān)實(shí)更深入的合作。