伊利諾大學厄巴納香檳分校的研究人員開發 GPU 加速的軟體，以模擬 20 億個和活細胞一樣會代謝與成長的活細胞。
每一個活細胞各自蘊含忙碌的微觀世界，其中有數千個負責生產能量、建構蛋白質、轉錄基因等工作的成分。
伊利諾大學厄巴納香檳分校的科學家打造出 3D 模擬技術，以粒子規模複製物理和化學特性，建立完全動態模型，模擬活細胞的行為。
此研究發表於《細胞》(Cell) 期刊，模擬最微小的活細胞，裡面含有一組細胞生存、運作和複製所必需的最精簡基因。該模型使用 NVIDIA GPU，在 20 分鐘的細胞週期內模擬 7,000 個基因資訊過程，科學家認為這是目前耗時最長且最複雜的細胞模擬。
最微小的細胞構造比自然產生的細胞更簡單，因此能更輕鬆以數位方式重現。
伊利諾大學活細胞物理中心共同主任 Zaida Luthey-Schulten 表示：「即使是最微小的細胞也需要 20 億個原子組成。」 「如果沒有 GPU，在真實的人類時間尺度下無法做出這樣的 3D 模型。」
經過進一步測試和調整後，完整細胞模型幫助科學家預測真實世界細胞的狀況或基因體變化如何影響其功能。即使僅在此階段，最微小細胞模擬也能讓科學家深入瞭解構成活細胞基礎的物理和化學過程。
她說：「我們發現，模擬細胞出現基本行為並不是因為我們將之程式化，而是因為我們模型中擁有正確的動力參數和脂質機制。」
Luthey-Schulten 共同開發並用於模擬 3D 微小細胞的 GPU 加速軟體 Lattice Microbes，可於 NVIDIA NGC 軟體中樞上取得。
最微小的細胞，帶來最高真實感
為了建立活細胞模型，伊利諾大學的研究人員模擬了最簡單的活細胞之一：寄生細菌黴漿菌。此模型以加州拉霍亞克萊格凡特研究機構科學家合成的縮小版黴漿菌為基礎，只有不到 500 個基因維持該細胞生存。
作為比較參考，一個大腸桿菌細胞約 5,000 個基因。一個人類細胞則約有 20,000 多個基因。
Luthy-Schulten 的團隊接著利用黴漿菌內部運作的已知特性，包括胺基酸、核苷酸、脂質和小分子代謝物，以 DNA、RNA、蛋白質和細胞膜建立模型。
她說：「我們得到足夠的反應，可以重現已知的一切。」
研究人員利用 NVIDIA Tensor 核心 GPU 執行 Lattice Microbes 軟體，在細胞開始大幅擴增或複製 DNA 之前，執行 20 分鐘的細胞生命週期 3D 模擬。模型顯示，細胞將大部分能量用於運輸分子到細胞膜，符合其寄生細胞的特性。
研究生暨論文第一作者 Zane Thornburg 表示：「如果連續運算或以全原子層級運算，需要耗費多年的時間。但因為這些都是獨立流程，我們可以在程式碼中加入平行運算，並善加運用 GPU。」
Thornburg 正在開發另一個 GPU 加速的模型，以 3D 形式模擬細胞成長和分裂。團隊最近採用 NVIDIA DGX 系統和 RTX A5000 GPU，進一步加速這項流程，並發現與使用前一代 NVIDIA GPU 的開發工作站相比，使用 A5000 GPU 能將基準模擬時間加速 40%。
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主要影像是 20 分鐘的 3D 空間模擬快照，顯示黃色和紫色的核醣體、紅色和藍色的降解體，以及代表 DNA 聚合物和蛋白質的較小球體。