जीनोमिक्स के लिए कंप्यूटर

सर्गेई नूमेंको, शोधकर्ता, इवोल्यूशनरी जीनोमिक्स की प्रयोगशाला, बायोनिनियरिंग और जैव सूचना विज्ञान के संकाय, मास्को स्टेट यूनिवर्सिटी लोमोनोसोव ने पोस्टनॉका को प्रयोगशाला, सुपर कंप्यूटर के बारे में बताया जो जीनोमिक डेटा को संसाधित करने के लिए उपयोग किया जाता है, और इस संबंध में जिन समस्याओं को हल किया जाना है।


2003 में, ह्यूमन जीनोम परियोजना, जो 1990 के दशक की शुरुआत में शुरू हुई, पूरी हो गई, जिसकी बदौलत मानव जीनोम का अनुक्रम हुआ, हालाँकि इसमें अभी भी अंतराल हैं।
नीचे एक प्लेट है जो अनुसंधान की गतिशीलता को दर्शाती है:



2003 में, ह्यूमन जीनोम परियोजना, जो 1990 के दशक की शुरुआत में शुरू हुई थी, पूरी हुई। जीनोम को अनुक्रम देने के लिए, इसे $ 3 बिलियन खर्च किया गया था और वैज्ञानिकों की एक बड़ी राशि एक अंतरराष्ट्रीय परियोजना में एकत्र हुई थी। अब उच्च प्रदर्शन अनुक्रमण के लिए नए उपकरणों के आविष्कार के साथ स्थिति बदल गई है: आप कम शुल्क में 2 सप्ताह में 10 जीनोम पढ़ सकते हैं। माइक्रोबायोलॉजिस्ट कोन्स्टेंटिन सेवरिनोव ने पहले ही इस बारे में बात की है, उदाहरण के रूप में यूरोपीय और अमेरिकी अनुभव का हवाला देते हुए, जब वैज्ञानिक विभिन्न व्यावहारिक और प्रयोगात्मक कार्यों को बाहरी फर्मों को आउटसोर्स करते हैं।

अब जैव सूचना विज्ञान के सामने मुख्य कठिनाई एक विशेष कंप्यूटर और उसके रखरखाव का निर्माण है। इसके लिए एक विशेषज्ञ की आवश्यकता होती है जो इसकी वास्तुकला के लिए जिम्मेदार होगा। हालाँकि, रूस में ऐसे बहुत कम लोग हैं। इसकी आवश्यकता क्यों है: क्योंकि यदि आप व्यक्तिगत रूप से जिम्मेदार व्यक्ति का चयन नहीं करते हैं, तो वास्तुकला मौजूदा समाधानों के आधार पर बनाई जाएगी जो जीनोमिक डेटा को संसाधित करने के कार्य के लिए उपयुक्त नहीं हो सकती है।

लेकिन जब एक वास्तुकार और एक कंप्यूटर होता है, तो नए कार्य उत्पन्न होते हैं:

1. आपको यह तय करने की आवश्यकता है कि किस ऑपरेटिंग सिस्टम का उपयोग करना है।
कहते हैं, मास्को राज्य विश्वविद्यालय के बायोइंजीनियरिंग और कंप्यूटर विज्ञान के संकाय के विकासवादी जीनोमिक्स की प्रयोगशाला में। लोमोनोसोव साइंटिफिक लिनक्स के लिए खड़ा है, जिसे CERN और FERMILAB द्वारा अग्रणी रेडहैट एंटरप्राइज लिनक्स के औद्योगिक वितरण के आधार पर विकसित किया गया है।

2. फाइल सिस्टम के उपयोग की समस्या। फिर से, मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी लस्ट फाइल सिस्टम (विस्तारित फाइल सिस्टम का उपयोग करता है, जो आमतौर पर बहुत शक्तिशाली सुपर कंप्यूटरों में उपयोग किया जाता है, विशेष रूप से लोमोनोसोव पर, और आपको डिस्क सरणियों पर भार वितरित करने की अनुमति देता है) और ओसीएफ 2, एक्सएफएस।

3. प्रणाली की निगरानी का कार्य। मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी में, यह नागियोस है। ऐसी प्रणाली की आवश्यकता है ताकि प्रशासक को तुरंत पता चल जाए कि कुछ टूट गया है या बंद हो गया है।

4. नोड्स के कॉन्फ़िगरेशन की समस्या। यह MSU में कठपुतली प्रणाली द्वारा हल किया गया है, जो आपको सभी नोड्स के कॉन्फ़िगरेशन को स्वचालित रूप से कॉन्फ़िगर करने की अनुमति देता है।

इसके अलावा, विशेषज्ञों के लिए उपरोक्त सभी एक सामान्य जगह है, लेकिन जब जीवविज्ञानी इस समस्या का सामना करते हैं, तो वे इसे खरोंच से हल करना शुरू करते हैं। रूस में, सीक्वेंसर्स के साथ प्रयोगशालाओं को लैस करने की प्रक्रिया अभी शुरू हो रही है, और जब ऐसा होता है, तो समस्या अनुक्रमण डेटा के प्रसंस्करण के लिए उपकरणों की पैदा होती है, क्योंकि जीवविज्ञानी, जैसा कि Naumenko मानते हैं, एक लैपटॉप से ​​अधिक शक्तिशाली कुछ भी नहीं संभाल सकता है।
और इससे उन्हें या तो मदद के लिए विक्रेताओं के पास जाने के लिए मजबूर किया जाता है, या भौतिकविदों को जो परमाणु हाइड्रोजन बम की गणना के समय से ऐसे कंप्यूटरों का उपयोग कर रहे हैं। हालांकि, उनके कंप्यूटर जीवविज्ञानी के कार्यों के लिए उपयुक्त नहीं हैं।

मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी के विकासवादी जीनोमिक्स प्रयोगशाला में एक कंप्यूटर से सुपर कंप्यूटर को क्या अलग किया जाता है: सुपर कंप्यूटर (सुपर कंप्यूटर्स पर उनकी एक सूची पाई जा सकती है) एक शक्तिशाली कंप्यूटर है जिसमें बड़ी संख्या में प्रोसेसर होते हैं, प्रोसेसर के साथ कनेक्शन का एक बहुत तेज़ नेटवर्क और अपेक्षाकृत छोटे डेटा भंडारण के साथ। और जीवविज्ञानियों के लिए, आपको एक ऐसे कंप्यूटर की आवश्यकता होती है जो डेटा को संसाधित करता है, और जो डेटा की एक बड़ी मात्रा को समायोजित कर सकता है, इसे उच्च गति पर संचारित कर सकता है, लेकिन एक ही समय में अपेक्षाकृत कम कंप्यूटिंग शक्ति होती है। यही है, इसमें प्रोसेसर की संख्या डेटा स्टोरेज की संख्या के बराबर है।

ऐसा कंप्यूटर मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी की लैब में है। इसमें लगभग 500 टेराबाइट्स डिस्क एरे शामिल हैं, यह लोमोनोसोव सुपर कंप्यूटर के डिस्क मीडिया का लगभग एक तिहाई है, और इसमें लगभग 300-400 कोर हैं।


कंप्यूटर लोमोनोसोव

मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी के विकासवादी जीनोमिक्स की प्रयोगशाला में कंप्यूटर निम्नलिखित कार्यों को हल करता है: यह दो सीक्वेंसर्स से डेटा प्राप्त करता है और यह शॉर्ट रीडिंग, एनोटेशन से डे नोवो जीनोम भी उत्पन्न करता है, अर्थात, उन्हें कोडिंग प्रोटीन और नॉन-कोडिंग प्रोटीन और केवल कच्चे डेटा प्रोसेसिंग कार्यों में चिह्नित करता है। कि sequencers से आते हैं।

इन समस्याओं को हल करने के लिए, बड़ी मेमोरी के साथ नोड्स बनाना आवश्यक था - डे नोवो जीनोम का निर्माण करने के लिए, बड़ी मात्रा में रैम की आवश्यकता होती है - 512 गीगाबाइट रैम।

समस्या, जो, विचित्र रूप से पर्याप्त है, सीधे खड़ी है, बिजली की समस्या है, यहां तक ​​कि मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी में भी रुकावटें हैं और पूरे कंप्यूटर सिस्टम को 5 मिनट से आधे घंटे तक बिजली देने के लिए शक्तिशाली निर्बाध विद्युत आपूर्ति स्थापित करना आवश्यक है।
उच्च-प्रदर्शन वाले सीक्वेंसर के आगमन के साथ, कुछ जीनों के कुछ हिस्सों के बजाय पूर्ण जीनोम के स्तर पर जीनोमिक डेटा को सस्ते में प्राप्त करने का पहली बार अवसर मिला है, और इसने विकासवादी और चिकित्सा जीनोमिक्स में पूरी तरह से नई संभावनाओं को खोल दिया है। आप आबादी को ले सकते हैं और जीनोम को तुरंत 20-50 नमूने पढ़ सकते हैं, और इन जीवों के जीनोटाइप के आधार पर पूरी जनसंख्या आनुवंशिकी की जांच कर सकते हैं। चिकित्सा में, किसी भी भविष्यवाणियों के लिए, आपको बहुत अधिक पुनरावृत्तियों की आवश्यकता होती है, अर्थात, आपको 50-100 रोगियों को अनुक्रमित करने की आवश्यकता होती है ताकि आप किसी चीज़ के बारे में बात कर सकें। इसलिए, सीक्वेंसर की आवश्यकता होती है, और इस तरह की भारी मात्रा में डेटा को संसाधित करने की आवश्यकता होती है।
इसलिए, अब जीवविज्ञानियों को डेटा के अर्थ को समझने के लिए, कार्यक्रम लिखना, आंकड़ों का अध्ययन करना सीखना होगा।

“हो सकता है कि एक दिन यह युग बीत जाएगा और एक अधिक उचित दृष्टिकोण से बदल दिया जाएगा, जब वे प्रयोगों की योजना बनाएंगे और समझेंगे कि डेटा प्राप्त करने की आवश्यकता है, क्या ज़रूरत नहीं है, लेकिन अब समय आ गया है कि हम उन सब पर विजय प्राप्त करें, जब सब कुछ संभव है और अनुक्रमित किया गया है, जो तक बाहर तक पहुँचने और उन्हें संसाधित करने का प्रयास कर सकते हैं। इसलिए, इस संबंध में, कंप्यूटर की आवश्यकता तब तक बढ़ जाएगी जब तक कि एक अधिक परिपक्व अनुसंधान पद्धति विकसित नहीं हो जाती है, ”सर्गेई नूमेंको कहते हैं ।