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超强DGX-2加速抗新冠病毒药物研究,助力打赢抗 “疫” 战

超强DGX-2加速抗新冠病毒药物研究,助力打赢抗 “疫” 战

2020-02-27 21:34

#人工智能 #深度学习


年初,新型冠状病毒肺炎(COVID-19)爆发。在这次抗击新冠病毒疫情的过程中,我们可以看到,无论是病毒研究还是治疗药物筛选,不断有新的阶段性研究成果发布。与17年前的非典相比,此次,治疗上如此迅速的反应,一方面各医疗、研究机构快速投身到治疗方案的制定、药物筛选研究当中;另一方面,17年间科技的跨越式发展,为药物研究提供了有力的技术支持,大量的新兴技术被应用到药物研究当中,其中,人工智能技术更是发挥了显著作用。

如今,人工智能技术已经被广泛应用于医疗健康领域,从辅助治疗到药物筛选,再到新药研发等,都发挥了重要作用。在此次抗击疫情的战役中,人工智能技术也发挥着重要作用,尤其是在最受大家关心的抗新冠病毒药物筛选和疫苗研发工作中,在人工智能技术支持下,不断有研究团队发布新的研究成果。

其中,由上海交通大学魏冬青教授所领导的研究团队就正在借助人工智能技术进行抗病毒药物研究。魏冬青教授任职于上海交通大学生命科学技术学院,主要从事计算结构生物学与生物物理学研究。其在日常研究当中就大量应用人工智能技术,借助于计算机辅助,通过分子动力学模拟实验进行药物筛选、发现及设计研究。

早在疫情爆发之初,魏教授就带领团队第一时间投入到了抗新冠病毒药物的研究当中。目前,研究团队正在基于5台性能超强大的NVIDIA DGX-2(立即免费试用)人工智能计算平台,结合自主开发的人工智能软件,紧锣密鼓地推进着抗病毒药物的研发工作。魏教授团队当前的研究工作主要关注于三个方面:探索八肽对抗新冠病毒的可能性、研究新冠病毒感染机制,和抗病毒疫苗设计,并已取得了阶段性的成果。

天文级计算规模,需最先进的AI平台

此次抗新冠病毒药物研究,魏教授团队之所以会果断地选择DGX-2作为核心算力,也是源于魏教授在日常研究中对于人工智能技术的应用经验。

据魏教授介绍,在医药学研究中,利用分子动力模拟实验进行药物研究是件十分庞杂的工作。在这个过程中会涉及大量的非结构性数据,有时还存在数据较少、负样本不足乃至数据不平衡等情况,需要人工智能技术的帮助,来解决药物研究过程中信息杂乱的问题,从而实现针对病毒、蛋白酶、靶标和化合物的自动化药物打分、评估,进而进行自动化的药物筛选。

而且,现今分子种类众多,在一些全球最大的数据库中,其所包含的分子数量更是超过3000万种。如果需要再进一步研究蛋白质之间的相互作用,其所涉及的计算量更是将会达到天文级的计算水平,面对如此复杂的模拟过程和庞大的计算量,唯有最先进的人工智能技术与计算平台才能够帮助研究者实现突破性的科研成果。

超强DGX-2 AI计算平台,
成科研突破超强助手


由于考虑到新药需要较长周期才能应用于临床,魏教授带领研究团队选择利用人工智能技术进行分子动力学模拟,在现有小分子药物(包括FDA已批准的药物)中筛选能够对新冠病毒起到抑制性作用的药物,以实现老药新用,进而可以马上进行临床应用。

据魏教授介绍,在药物筛选过程中,研究团队需要对几十万种分子进行分子动力学模拟计算,面对如此大规模的计算量,如按照目前常规的算力条件,团队需要1到2个月的时间才能完成全部模拟。但是疫情面前,时间就是生命。

考虑到在疫情肆虐的时期,需要在最短的时间内,以最快的速度研究出能够有效的药物,魏教授的团队基于日常研究实验中对于各类计算平台的应用感受,最终决定采用5台NVIDIA DGX-2人工智能超级计算机用于此次的研究。

DGX-2人工智能超级计算机是NVIDIA GPU计算和存储能力的集大成者,其配置了16张NVIDIA Tesla V100(立即免费试用) GPU, 可扩展架构使得模型的复杂性和应用的规模不受传统架构局限性的限制,由多台DGX-2组成的GPU集群更是可以轻松应对数据科学各种复杂的AI和HPC挑战。

而且,搭载了NGC的DGX-2真正实现了软硬一体,即插即用。NGC 是NVIDIA针对GPU优化的AI和HPC软件堆栈的容器平台,提供超过50种相关应用和框架的镜像,简化了软件部署流程和软硬件协同调优流程。通过NGC,NVIDIA能够为用户提供经过特别优化处理的容器镜像,进一步优化提升计算能力。

由于DGX-2已搭载了NGC,因此用户无需再担心会在运行应用时遇到编译流程复杂、应用优化需与最新硬件适配、AI领域实验复现和环境管理难等问题,从而实现快速部署快速应用,可以实现即插即用。这一点,在像此次这般应对突发状况,需要争分夺秒的情况下,显得尤为重要。

魏教授谈到,“当今许多最前沿的科学研究都对计算资源有着强大需求,DGX-2这种市场上性能最强大的AI计算平台可以说得上是助力数据科学研究的超强助手。”

高速筛选抗病毒药物,从2个月到2天

有了超高性能的计算资源助力,再配合先进的医学研究深度学习软件,团队的药物研究进程得到了极大地提速,原本需要1到2个月才能完成的模拟计算,如今只用1到2天就完成了,计算速度极大提升使得药物的研究效率得到大幅提升。

目前魏教授带领的研究团队已经取得了阶段性的成果。在抗新冠病毒药物研究方面,目前研究团队已通过实验证明一种八肽能够对新型冠状病毒起到一定抑制作用,现在团队正在合成设计的多肽,后续将交由深圳和上海疾控中心进行药效评估。此外,研究团队正在对中医药提取物中的分子进行模拟计算,筛选出有潜力的分子物质,以确定哪些中医药材能够用于新冠肺炎疫情的治疗当中。

为尽快确认传染源和传播途径、制定高效的防控策略,研究团队还在借助于DGX-2系统,通过对新冠病毒的spike-蛋白的结构进行模拟计算,以揭示其与人ACE2蛋白作用并介导传染人的分子作用通路。

人工智能与疫苗设计

另外,在抗病毒疫苗设计方面,研究团队也正在利用自主研发的人工智能软件A-CaMP, WeiDock, DTI-CDF等软件开展抗新冠病毒疫苗研究。相关软件主要基于深度学习人工智能算法进行疫苗设计,并利用DGX-2人工智能平台,进行超大规模模拟实验和数据训练,从而验证相关疫苗设计的有效性和安全性,甚至可以对有效佐剂提供建议。目前相关工作正在顺利进行中,预计将很快有成果呈现。

从10多篇到90篇,
人工智能助力科学研究提速


特殊时期AI大显身手的背后,是在日常生活中,AI 技术正在推动着科学研究速度不断大幅提升。这一点,从魏教授这几年的论文发表数量对比上就能窥见一二。过去,在使用传统方法,不借助人工智能的情况下,魏教授每三年发表的研究成果论文只有大概4到5篇,最多10多篇;但近几年,借助于AI技术的广泛应用,魏教授带领团队在3年的时间里发表了90余篇论文成果,科研进程相比于过去有了极大的提速。先进的人工智能技术与强大的算力资源已经成了推进科学研究实现突破的不可或缺之利器。

此次新型冠状病毒的蔓延,不光是对个人免疫力的考验,也是对诸如人工智能这样的各类新兴技术的考察。作为人工智能领域的领导者及GPU的发明者,NVIDIA一直以来都在推动着人工智能计算技术更快更强,但技术的最终目标是帮助人们解决过去难以解决的难题,让人们的生活更加美好,让人们更加健康地生活。如今GPU加速的人工智能已在医疗健康领域取得了很多成果应用,在这场抗击新型冠状病毒的战役中,人工智能与GPU加速计算也必将发挥重要作用,与科研工作者们共同打赢这场疫情阻击战。

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