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一種新型三維重構(gòu)系統(tǒng)的制作方法

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一種新型三維重構(gòu)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本技術(shù)屬于結(jié)構(gòu)塵物學(xué)領(lǐng)域,具體涉及一種基于LSF系統(tǒng)和App1n系統(tǒng)的冷凍電子顯微鏡實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)流水線系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]1974 年由 Taylor K 和 Glaeser RM 創(chuàng)立了冷凍電鏡技術(shù)(Cryo-ElectronMicroscopy,簡(jiǎn)稱Cryo-ΕΜ)。Cryo-EM是一種新興的塵物大分子三維重構(gòu)方法,也是一種典型的多學(xué)科綜合技術(shù),包括電子顯微技術(shù)、成像技術(shù),計(jì)算機(jī)三維重構(gòu)技術(shù)和生物信息技術(shù)。
[0003]Cryo-EM的主要思路是利用冷凍電鏡和低劑量電子束成像技術(shù)對(duì)樣本進(jìn)行電子成像,利用高靈敏底片進(jìn)行成像記錄,并對(duì)記錄圖像進(jìn)行圖像處理,包括塵物分子顆粒識(shí)別、校正、去噪等,最后完成樣本的三維重構(gòu)計(jì)算。
[0004]人類基因組工作草圖的繪制完成,標(biāo)志著生命科學(xué)進(jìn)入了后基因時(shí)代。在人類基因組測(cè)定之后,人們發(fā)現(xiàn)僅從基因組序列的角度根本無(wú)法完整、系統(tǒng)地闡明生物體的功能,必須對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能上的研宄,才能更好地理解塵命過(guò)程。而以蛋白質(zhì)為主體的生物大分子的功能主要決定于它們的三維結(jié)構(gòu)。因此,研宄生物大分子三維結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系成為了現(xiàn)代生命科學(xué)的一個(gè)重要研宄領(lǐng)域,生物大分子高分辨率三維結(jié)構(gòu)的研宄甚至原子水平結(jié)構(gòu)的研宄也已經(jīng)成為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)塵物學(xué)的主要內(nèi)容之一。隨著技術(shù)設(shè)備的進(jìn)一步成熟和參與研宄的人員日益增加,Cryo-EM已逐步發(fā)展成為確定蛋白質(zhì)分子,蛋白質(zhì)復(fù)合物和細(xì)胞器結(jié)構(gòu)的一種非常有效和具有美好前景的方法。
[0005]傳統(tǒng)的生物大分子三維重構(gòu)技術(shù)包括:X射線晶體衍射技術(shù)(X-Ray)和核磁共振成像技術(shù)(NMR)。對(duì)比用于測(cè)定結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)典型技術(shù),Cryo-EM技術(shù)主要具備如下優(yōu)勢(shì):顯微鏡真空環(huán)境的樣品制備條件,減少輻射損傷的策略,提高未經(jīng)染色的電子顯微像的信噪比的方法和二位投影三位重構(gòu)的不同方法;冷凍電鏡通過(guò)高壓快速液氮冷凍的制樣方法能夠使樣品處在接近于生理環(huán)境的玻璃態(tài)冰中從而保持其天然構(gòu)像;由于快速冷凍可以捕捉到某個(gè)反應(yīng)過(guò)程的中間狀態(tài)從而可以對(duì)大分子復(fù)合物進(jìn)行塵物學(xué)功能的動(dòng)態(tài)研宄。
[0006]隨著高性能計(jì)算機(jī)集群技術(shù)和冷凍電子顯微鏡技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,以及生物醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)對(duì)關(guān)鍵塵物樣品結(jié)構(gòu)和功能解析的迫切需求,冷凍電子顯微鏡三維重構(gòu)方法,已經(jīng)成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研宄熱點(diǎn)之一。
[0007]LSF(Load Sharing Facility)是Platform公司開發(fā)的基于負(fù)載均衡的作業(yè)調(diào)度和資源管理軟件系統(tǒng),是商用網(wǎng)格計(jì)算系統(tǒng)的代表性產(chǎn)品,對(duì)于解決大規(guī)模的計(jì)算問(wèn)題具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。LSF是目前使用最為廣泛的網(wǎng)格平臺(tái)搭建工具,相比其他網(wǎng)格計(jì)算解決方案來(lái)說(shuō),它擁有更加強(qiáng)大的底層資源調(diào)度能力,能基于現(xiàn)有高級(jí)計(jì)算資源構(gòu)建網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理
-ψ-
口 O
[0008]LSF支持不同的主機(jī)架構(gòu)和操作系統(tǒng),它把網(wǎng)絡(luò)中的異構(gòu)機(jī)群當(dāng)作一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)來(lái)看待,收集、監(jiān)控和管理虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的內(nèi)在資源(如CPU、內(nèi)存等)和外部定義的虛擬資源(如許可證等),自動(dòng)調(diào)度用戶提交的計(jì)算作業(yè)到最佳的運(yùn)算主機(jī),以滿足作業(yè)對(duì)資源的請(qǐng)求。
[0009]LSF可持續(xù)提供資源管理服務(wù),即使系統(tǒng)中部分主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)生問(wèn)題,主機(jī)上運(yùn)行的作業(yè)也不會(huì)丟失,可以被及時(shí)恢復(fù)運(yùn)行,而發(fā)生問(wèn)題的主機(jī)也可被及時(shí)調(diào)整,恢復(fù)高質(zhì)量的運(yùn)行能力。該系統(tǒng)同時(shí)為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供靈活有效的作業(yè)管理,保證用戶間資源共享,確保優(yōu)質(zhì)完成各種復(fù)雜的高要求的作業(yè),LSF提供的管理工具能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)提供系統(tǒng)的各種資源的最新狀態(tài)信息,并以圖表的方式直觀地顯示出來(lái),從而看出資源的使用情況,為領(lǐng)導(dǎo)層的科學(xué)決策提供依據(jù)。
[0010]基于LSF的網(wǎng)格計(jì)算目前已經(jīng)成為了科研院所高性能計(jì)算的主流標(biāo)準(zhǔn)配置之一。
[0011]App1n是一種著名的開源單顆粒三維重構(gòu)圖像處理流水線系統(tǒng),主要處理由冷凍電鏡產(chǎn)生的大量結(jié)構(gòu)生物圖像。此系統(tǒng)利用基于網(wǎng)頁(yè),以及流水線和集成化的簡(jiǎn)單快速圖像分析和解析、處理的配套機(jī)制,集成了大量電鏡圖像處理第三方軟件,覆蓋顆粒挑選、初始模型構(gòu)建到三維模型修正諸多過(guò)程,能在最大限度內(nèi)對(duì)操作過(guò)程進(jìn)行全塵命周期的跟蹤和記錄,以便新課題的快速?gòu)?fù)用以及知識(shí)的便捷共享。
[0012]但目前在塵物學(xué)電鏡三維重構(gòu)方面,還沒(méi)有相關(guān)的技術(shù)將LSF系統(tǒng)、App1n系統(tǒng)、冷凍電子顯微鏡相結(jié)合來(lái)進(jìn)行三維重構(gòu),也沒(méi)有一種有效的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)兩者的有效溝通,也即無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)縫關(guān)聯(lián)和高速傳輸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題,提出一種結(jié)合LSF系統(tǒng)、App1n系統(tǒng)和冷凍電子顯微鏡技術(shù)的三維重構(gòu)系統(tǒng),該系統(tǒng)能有效降低塵物樣品電鏡圖像解析的工作強(qiáng)度,并有效提高結(jié)構(gòu)塵物學(xué)電鏡三維重構(gòu)方法的研宄效率。
[0014]—種新型三維重構(gòu)系統(tǒng)包括App1n系統(tǒng)的工作流展現(xiàn)模塊、數(shù)據(jù)指令轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)配置模塊、LSF系統(tǒng)的網(wǎng)格作業(yè)隊(duì)列模塊、LSF系統(tǒng)調(diào)度庫(kù)模塊、LSF系統(tǒng)計(jì)費(fèi)庫(kù)模塊及網(wǎng)絡(luò)資源池模塊;
[0015]所述App1n系統(tǒng)的工作流展現(xiàn)模塊主要實(shí)現(xiàn)工作流程界面展示,同時(shí)用于App1n系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;
[0016]所述數(shù)據(jù)指令轉(zhuǎn)換模塊主要實(shí)現(xiàn)將App1n系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理作業(yè)指令轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)SF系統(tǒng)隊(duì)列任務(wù)模型;
[0017]所述數(shù)據(jù)配置模塊主要完成對(duì)App1n系統(tǒng)和LSF系統(tǒng)對(duì)接環(huán)境的具體設(shè)定,主要包括用戶設(shè)置、作業(yè)隊(duì)列的設(shè)置、網(wǎng)格資源池的連接屬性設(shè)置;
[0018]所述LSF系統(tǒng)的網(wǎng)格作業(yè)隊(duì)列模塊主要負(fù)責(zé)接收來(lái)經(jīng)數(shù)據(jù)指令轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換的App1n系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理作業(yè),同時(shí),依照LSF調(diào)度庫(kù)模塊的策略對(duì)LSF系統(tǒng)隊(duì)列任務(wù)模型進(jìn)行調(diào)度管理,最后,將LSF系統(tǒng)隊(duì)列任務(wù)模型的執(zhí)行狀態(tài)和結(jié)果信息返回給數(shù)據(jù)指令轉(zhuǎn)換模塊;
[0019]所述LSF系統(tǒng)調(diào)度庫(kù)模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)App1n系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理作業(yè)進(jìn)行調(diào)度策略的管理;
[0020]所述LSF系統(tǒng)計(jì)費(fèi)庫(kù)模塊負(fù)責(zé)完成對(duì)App1n系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理作業(yè)進(jìn)行計(jì)費(fèi)管理,主要依據(jù)App1n系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理作業(yè)的資源耗費(fèi)和運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行計(jì)費(fèi);
[0021]所述網(wǎng)絡(luò)資源池模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行App1n系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理作業(yè),并依照LSF系統(tǒng)的網(wǎng)格作業(yè)隊(duì)列模塊申請(qǐng)計(jì)算機(jī)資源的數(shù)量和LSF調(diào)度庫(kù)模塊的策略,調(diào)配空閑的網(wǎng)格資源對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
[0022]進(jìn)一步的,所述數(shù)據(jù)指令轉(zhuǎn)換模塊能同時(shí)將2兩個(gè)以上App1n系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理指令轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)SF系統(tǒng)的隊(duì)列任務(wù)處理模型,所述數(shù)據(jù)指令轉(zhuǎn)換模塊處理數(shù)據(jù)的數(shù)量與和網(wǎng)格資源池模塊所包含資源的大小成正比。
[0023]進(jìn)一步的,所述LSF系統(tǒng)網(wǎng)格作業(yè)隊(duì)列模塊能同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)資源池模塊上調(diào)度多個(gè)LSF系統(tǒng)隊(duì)列任務(wù)模型。
[0024]進(jìn)一步的,所述LSF調(diào)度庫(kù)模塊的調(diào)度策略包括先來(lái)先到和小作業(yè)優(yōu)先策略。
[0025]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提出的一種新的基于LSF系統(tǒng)、App1n系統(tǒng)和冷凍電子顯微鏡技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)的系統(tǒng),該系統(tǒng)開創(chuàng)性地將基于App1n系統(tǒng)、冷凍電鏡生物結(jié)構(gòu)研宄技術(shù)和基于LSF系統(tǒng)的網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)三者有機(jī)結(jié)合在一起,形成一種新的冷凍電子顯微鏡三維重構(gòu)技術(shù),該技術(shù)的重要特點(diǎn)是三維重構(gòu)的流水線技術(shù)的實(shí)現(xiàn),該流水線技術(shù)能有效降低生物樣品電鏡圖像解析的工作強(qiáng)度,并有效提高結(jié)構(gòu)生物學(xué)電鏡三維重構(gòu)方法的研宄效率。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明所述一種新型三維重構(gòu)系統(tǒng)的框架說(shuō)明圖;
[0027]圖2為本發(fā)明所述一種新型三維重構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程示意圖;
[0028]圖3為本發(fā)明所述數(shù)據(jù)指令轉(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)處理流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]如圖1
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