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，并對記錄圖像進(jìn)行圖像處理，包括塵物分子顆粒識別、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。在人類基因組測定之后，人們發(fā)現(xiàn)僅從基因組序列的角度根本無法完整、系統(tǒng)地闡明生物體的功能，必須對蛋白質(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)。對比用于測定結(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: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)過程的中間狀態(tài)從而可以對大分子復(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，對于解決大規(guī)模的計(jì)算問題具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。LSF是目前使用最為廣泛的網(wǎng)格平臺搭建工具，相比其他網(wǎng)格計(jì)算解決方案來說，它擁有更加強(qiáng)大的底層資源調(diào)度能力，能基于現(xiàn)有高級計(jì)算資源構(gòu)建網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理
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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)對資源的請求。
[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，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，以及流水線和集成化的簡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程，能在最大限度內(nèi)對操作過程進(jìn)行全塵命周期的跟蹤和記錄，以便新課題的快速復(fù)用以及知識的便捷共享。
[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)合來進(jìn)行三維重構(gòu)，也沒有一種有效的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)兩者的有效溝通，也即無法實(shí)現(xiàn)無縫關(guān)聯(lián)和高速傳輸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，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)度庫模塊、LSF系統(tǒng)計(jì)費(fèi)庫模塊及網(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LSF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App1n系統(tǒng)和LSF系統(tǒng)對接環(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)度庫模塊的策略對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)度庫模塊主要負(fù)責(zé)對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)庫模塊負(fù)責(zé)完成對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)列模塊申請計(jì)算機(jī)資源的數(shù)量和LSF調(diào)度庫模塊的策略，調(diào)配空閑的網(wǎng)格資源對實(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LSF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)度庫模塊的調(diào)度策略包括先來先到和小作業(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