2010年NVIDIA GTC大会现场报道

蛋白质是如何通过基因蓝图制造出来的

●制造过程

科学家通过核糖体从mRNA中解码基因信息并产生出新的蛋白质，这是蛋白质的制造过程（图5）。实现这个过程也是研究抗生素的重要目标。其中重要的环节就是弄清楚核糖体的结构，模拟整个制造过程。2009年的诺贝尔化学奖就给了揭开蛋白质制造过程的三位科学家。这样的生物物理过程的研究可以比喻成足球比赛，期望的不只是足球比赛的结果，而是整个足球比赛的过程。

图5：蛋白质的制造过程

了解生物的物理过程才能更好地了解其中的物理原因，找到问题的根本。传统的低分辨率的图像只能得到足球比赛的结果，而不知道比赛的过程。对于现在基于高性能计算的高分辨率结构图，可以清晰地看到新生的蛋白质。

●分子动力学模拟

通过分子动力学的方式可以模拟整个新蛋白产生的过程，具体方法是使用计算机来模拟蛋白质产生的过程，这差不多需要模拟100万个单元。

图6：随着GPU数量的逐渐增多，计算机的性能也越来越强。

如图6所示，随着GPU数量的逐渐增多，单步的模拟过程时间越来越短，可以达到很高的性能。通过GPU的加速，整个模拟的过程从以前的两个月缩短到了两周。

纳米孔传感器 

新型纳米孔是通过电力场作用驱动单个分子逐一通过纳米孔来实现测序的。由于纳米孔的直径非常细小，可以侦测通过的单个核酸聚合物，能保持良好的持续性和高精度地测量基因信息。对于长达1000个碱基的单链DNA分子、RNA分子或者更短的核酸分子而言，也并不需要进行扩增或标记就可以直接使用纳米孔来进行测试，这使得快速地进行DNA测序成为可能。

对于基因的了解，通常情况下大家知道A、T、G、C四种碱基，其实还有第五种碱基—甲基化胞嘧啶。单分子纳米孔测序仪能直接分辨出未修饰的胞嘧啶和甲基化胞嘧啶。当单链DNA通过纳米孔的时候，单个碱基落入孔中，它们跟纳米孔内特定物质相互作用，阻碍了穿过孔中的电流同道。A、T、C、G以及甲基胞嘧啶都会有自己特有的电流振幅，因此很容易把这些电流振幅转化成DNA序列。这样就可以通过纳米孔技术就能直接读出这第五种碱基。

但是现在的纳米孔材料还有很多问题需要解决，例如可以通过模拟的方式来选择生产更好的高分子纳米材料。但现在还没有一种生物纳米孔或者人工合成的纳米孔能有一个非常合适的几何结构，并通过模拟的方式分析合成出适合的高分子材料，在这个过程中通常采用径向分布函数的方法来进行分析沉淀物和流体的情况。

图7：GeForce GTX 480的并行计算能力远远高于英特尔Xeon X5550

图7模拟了4700万个单元，如果利用4核心的英特尔Xeon X5550 CPU，需要15个小时，如果利用4台NVIDIA的Tesla C2050 GPU，只需要10分钟就可以完成。这里还有一个数据，利用Fermi架构的GPU的性能是采用上一代GT200架构GPU性能的3倍以上。