Supercomputer Provides Super Tool For Simulation Of Cell Division
Science Daily — 美國維吉尼亞電子運算及生物科技研究中心使用了名為「System X」的超級電腦進行了細胞分裂及細胞週期的運算與模擬。他們運用嶄新的數學運算以及數值演算方法提供了一個在研究複雜活體細胞過程中強而有力的工具。
圖1. System X. (Image courtesy of Virginia Tech)
生物學家 John Tyson 是一位在分子細胞生物學中，利用數學模型來研究細胞分裂的專家。然而，要拿數學運算的結果來與實驗數據作比較則是相當困難的一件事情，因為數學運算的結果往往是「定量的（quantitative）數字（numbers）」，而實驗數據則往往是一個「定性的（qualitative）趨勢（trends）」。而數學生物學家必須找尋出如何將這些模組方程式正確的套用在細胞之間的正確參數，以提供精確的實驗結果。舉一個簡單的例子來說好了，像「華氏（Fahrenheit）溫度」與「攝氏（Celsius）溫度」之間的轉換，數學家 Layne Watson 這樣說到：「對於一個相同的溫度數值，你可以使用各種華氏溫度與攝氏溫度配對來判讀，然後試著推算出一個格式來轉換這兩個不同的溫度單位」
在先前，Tyson 的工作是利用簡單的模型，透過試誤法（trial and error）來決定參數的正確性，這個程序就稱為「parameter twiddling」。但是他與他的伙伴 Kathy Chen 想要決定出所有在酵母菌出芽過程中的細胞週期中蛋白質交互調控作用。「就像所有在研究酵母菌出芽過程的細胞週期般地基礎研究，可以提供我們去瞭解人類細胞的繁殖過程，癌細胞的產生原因、身體組織再生及控制病原體。」Tyson 是這樣說的。
就以出芽中酵母菌的細胞週期來說好了，實驗得到的數據包含了觀測 130 種突變酵母菌株，同時建構了 and/or 過渡表達（over-expressing）的有關調控網路編碼的基因，這些基因編碼使管理網路的蛋白質失去效用。而為了計算這個模型必須同時從數據中考慮到 143 個參數。「這真的是一個大問題！」Watson 這樣說到。「因為你不可能去用手計算，也不可能利用筆記型電腦。唯一能用的，就只有透過超級電腦了。」
事實上，這需要使用擁有超過 20000 個中央微處理器（CPU）的「Syntem X」，他同時平行串連了 2200 個處理程序，並使用兩個新的運算器 － DIRECT（DIviding RECTangles）與 MADS（Mesh Adaptive Direct Search）－ 來計算這 143 個參數。
圖2. 超級電腦 System X. 一隅
這個研究已經發表在 2007 年的 Journal of Global Optimization 期刊上，該研究的標題是「Deterministic Parallel Global Parameter Estimation for a Model of the Budding Yeast Cell Cycle」，作者為 Thomas D. Panning, Layne T. Watson, Nicholas A. Allen, Katherine C. Chen, Clifford A. Shaffer, and John J. Tyson. 等人。
維吉尼亞電腦技術科學小組創造了一個總體（global）搜尋數值演算（DIRECT）與局部（local）搜尋數值演算（MADS）的巨大平行系統，除了使他們得以發揮效用之外，還可以結合運算的成果。「總體地搜尋數值系統演算可以讓你發現參數間最佳的數值，」Wateon 解釋到。「接著，局部搜尋數值演算則可以讓這個從 global 演算中所發現的數值變得更好。」
圖3. Global minima 能量與 Local minima 能量的簡單差別。其實每一個小波谷都是 Local minima，而 Global minima 只有一個。
這個平行計算程式現在也可以應用在處理其他類似的問題。「出芽中的酵母菌之細胞週期模型參數會變得越來越好，直到下一個科學家做出了新的實驗數據使他們的模型失效，這也許是從現在起的幾年後，或是．．．一週後。」Watson 笑著說：「這就是科學運作與進步的方式呀！」
Note: This story has been adapted from a news release issued by Virginia Tech.
原始網頁：http://www.sciencedaily.com/releases/2007/01/070130123300.htm
Virginia Tech 官網：http://www.tcf.vt.edu/systemX.html