作者:朱汉斌  黄博纯 来源: 中国科学报 发布时间:2022-11-7
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广州健康院:
小平台撬动大科学 加速探索生命的奥秘

广州健康院外观。

广州健康院同事眼中的“三剑客”——刘劲松(右一)、许永与陈朝明(右二)正在讨论问题。

■本报记者 朱汉斌 通讯员 黄博纯

在广州市黄埔区开源大道190号,坐落着一个国立科研机构——中国科学院广州生物医药与健康研究院(以下简称广州健康院)。在科研实验室里,一群年轻的科研人员正集中精力进行各种科研攻关。

实验动物中心的小鼠能办“大事”——小鼠疾病模型可以几近真实地模拟人类疾病的发病过程及对药物的反应,可用于人类多种疾病的相关研究;

分析测试中心里有“绝活”——冷冻电镜技术平台、液相/气相色谱-质谱联用仪等理化技术平台、流式细胞技术平台、显微成像技术平台等面向生命科学领域的关键技术平台,共享的是科学仪器设备,输出的是技术服务理念;

科学数据中心里有“金矿”——实时保存来自科学仪器和智能传感设备递送生命信息相关的表型数据、多组学数据、多尺度显微成像数据等,通过分析挖掘,可以探索其中隐藏生命奥秘的钥匙;

超级计算中心有“力量”——黑色机柜,密密麻麻的指示灯闪烁不定,伴随着轻微的机器运转的嗡嗡声……

从实验小鼠,到科学仪器、数据湖,再到超级计算机,很难想象用什么把4个平台连接在一起,而广州健康院正高级工程师陈朝明有绝活。他说,广州健康院搭设的实验动物中心、分析测试中心、科学数据中心与超级计算中心等多个重点研究平台,对生物医药产业研发有着重要作用。

“私人定制”的超级计算平台

广州健康院是中国科学院第一个与地方共建、共管、共有的新型研发机构,填补了当时华南地区生物医药领域国立科研机构的空白。该院成立以来,坚持“四个面向”,服务“国之大者”,主动承担国家重大科研项目、多措并举培育创新“土壤”,加强人才队伍建设,积极探索创新能力建设的体制机制,不断推动原始创新成果的涌现。

“广州健康院成立以来,始终深耕基础研究,布局未来生物医药与健康产业。”具有计算机和生物学交叉学科背景的陈朝明一毕业就到广州健康院工作,转眼已在该院工作了16年。他坦言先后在多个技术支撑中心的不同岗位均有所锻炼,练就了综合解决科研创新过程中相关技术问题的能力。

2012年,在中国科学院广州分院大力支持下,广州健康院开始谋划建立一个属于生物医药与健康领域的超级计算平台。2014年,中国科学院超算环境广州分中心获得中国科学院批准、依托广州健康院建设和管理,面向广州分院单元、相关科研院校及高新企业用户服务,实现从药物靶点发现到小分子药物设计,再到临床试验,在超算中心都能完成全生命周期全链条研究。在2019年的指数排名中,该中心在中国科学院各超算分中心中位列第一名。

不同的学科背景、共同的目标,广州健康院研究员刘劲松、许永与陈朝明成了同事口中的“三剑客”。超算中心建立之初,由于经费紧张,遇到了许多困难,最后在陈朝明等人的努力和广州健康院的支持下,采取“经费支持+服务先租后购+课题组支持”的方式,建成超算中心。其提供的算力和成体系的软件工具、算法库及流程在干细胞与再生医学、创新药物设计、公共健康、海洋气象、地球科学、新能源等领域实现了广泛应用。

“依托这个平台,利用先进算法可以从上亿分子中筛选出万级分子库,并进一步筛选出具有蛋白靶点特异性的具备临床研究价值的分子。对比一般的超级计算,中心可以个性化定制,迅速提供适合实验需求的代码,并迅速给出数据。”许永称赞道,超级计算机的强大算力和“私人定制”为新靶标发现和创新药物研发注入了新的动能。

超级计算机被称为“国之重器”,属于国家战略高技术领域。许永团队的研究方向之一就是超级计算在抗肿瘤药物研究中的应用。针对当前原创药物面临新靶标短缺的瓶颈问题,他的团队从临床数据出发,挖掘原创新靶标。以计算生物学和分子模拟为手段,依托超级计算平台开展了前列腺癌新靶标和新药物研究。针对前列腺癌治疗中的关键雄激素受体蛋白特点,许永团队分析潜在有效的小分子药物特征,利用算法筛选获得万级分子库,并进一步筛选出具有蛋白靶点特异性的分子。经过层层筛选和优化,团队最终获得了极具开发潜力的抗肿瘤活性化合物,为克服临床耐药提供了重要的靶点和药物候选物。

“依靠平台的专业技术支持,在小实验室也可以解决大的科学问题。”刘劲松说,生物学实验尤其是药物研发,涉及的数据量大、算力要求高,基于AI技术构建完整的生物医药计算平台,对于健康数据管理等科研活动具有极大的价值,高效稳定的网络和数据支撑也是重中之重。“我们相信,未来重大的科研发现和创新,都将从这里孕育、诞生。”

助力粤港澳大湾区创新提速

近年来,随着人工智能等数字技术快速发展,原本需要耗费大量时间和人力物力开展的生物技术实验,现在可以通过人工智能、计算模拟等数字手段辅助甚至替代,从而大大提高了生物医药领域的研发效率,为我国生物医药产业实现对国外同行业的弯道超车提供了重大机遇。

作为科技“国家队”,广州健康院具有强大的生物医药研发专业能力和全链条支撑平台。陈朝明表示,从实验动物中心为科技创新提供广泛的实验动物模型和样本资源,到分析测试中心作为高质量高通量科学数据产生的主要来源,再到已获得认证的科学数据中心提供高效便捷的自动化科学数据汇交共享,最后到超算中心作为大规模数据挖掘、可视化及创新利用不可或缺的大脑,广州健康院打造的科研条件综合支撑中心已成为生物医药与健康“资源-科研-产业”创新发展的闭环平台。

该平台自建成运行以来,已成为广州健康院科研活动不可或缺的关键环节,先后服务全国超过200个科研创新团队,支撑国家重点专项、干细胞先导专项、省市重点研发专项、生物岛实验室、国家大设施等各类项目超过400项;依托该平台开展数据计算,先后发表Cell系列期刊论文44篇、Nature系列期刊论文24篇,以及其他国际知名刊物论文近200篇。

在平台的强力支撑下,广州健康院在生物医药开发方面取得了一系列突破。其自主研发的抗白血病1类新药GZD824、抗肿瘤1类新药ASK120067、治疗阿尔茨海默病1类新药AD16获得国家食品药物监督管理总局的临床试验批件。由广州健康院原创、企业开发的抗白血病1类新药GZD824(耐立克)已于2021年11月24日获得上市批准,是建院以来第一个获批上市的1类新药;非小细胞肺癌新药ASK120067递交上市申请已获国家药品监督管理局药品评审中心受理;治疗阿尔茨海默病1类新药AD16已经完成I期临床研究。

值得一提的是,超级计算平台先后服务超过50家生物医药领域的高新企业,为企业提供专业的、低成本的基于数据计算驱动的解决方案,提高机构及企业运作效率,降低机构及企业成本,增强中小企业的竞争力,帮助企业累计增加产值4500万元。这充分说明,广州健康院已经形成了良好的“土壤”,势必成为大湾区科创的原创力引擎。

“凭借这些高水平平台,我们服务的用户先后获得国家自然科学奖二等奖2项,广东省自然科学奖一等奖4项、二等奖6项;5人获得国家杰出青年基金资助,6人获国家优秀青年基金资助。”陈朝明说。依托中国科学院科学数据体系,平台建有被中国科学院认定的科学数据中心,已成为华南地区唯一一个获得Springer Nature、American Geophysical Union、Cell Press和Elsevier等国际顶尖学术期刊出版集团认可推荐的科学数据汇交、共享平台,积累了海量高质量的生物医学(药)数据,同时也为大数据挖掘、多尺度人体地图可视化应用等奠定了坚实基础。

“技术支撑体系是科研活动稳定运行的基本保障,决定着科技协同创新的质量和效率。”广州健康院副院长潘光锦表示,生物医药与健康产业是广州三大新兴支柱产业之一。近年来,广州大力推动生物医药产业,年均增长10%左右。广州健康院将继续以先进技术、数据计算赋能生物医药产业创新发展,依托已有基础,集中力量建设更为高效闭环的生物医药技术创新高地,有利于形成粤港澳大湾区中心的生物医药科研创新“高地”和高端人才引进“洼地”。

今年2月,在广州市科技局指导下,广州生产力促进中心主办的广州产学研之“走进实验室”广州健康院专场活动举行。活动围绕广州健康院的支撑平台和前沿项目,推进细胞标准化检测、实验动物、分析测试、生物医学数据与超算等服务平台和重点项目深度对接融合,吸引了60余名企业、高校、医院代表参加。

打破数据“孤岛”提升科研效率

数字经济时代,数据是新的生产要素,也是重要生产力。陈朝明说,依托广州健康院在生物医药与健康领域的学科优势、交叉学科人才储备,以及超算中心等的数据与计算平台特色,生物医药计算平台已经汇聚了超过1PB的生物多组学数据,包括面向干细胞、细胞谱系、免疫组库等的细胞组学数据,面向药物研究等的化合物库及蛋白质结构生物大分子数据,面向生命健康等的重大疾病医学临床相关数据。

超算平台重点不在“超”而是擅长“算”,即用数据分析支撑科学研究。陈朝明表示,生物医药计算平台的建设是基于需求导向,由于生物医药科学研究的特殊性,数据与计算应采取就近原则,基础设施贴近科学家,即来即用,提供一个可以让更多人不断试错的数据计算平台,能够拉近与科研新发现的距离。同时,这样的平台也能够帮助培养更多创新性交叉学科人才、更多创新性科研团队。

“超算平台的建成,正不断助力广州健康院在细胞命运调控、遗传发育、抗癌药物发现及蛋白质结构解析等方向的数据分析,大大提升了科研效率。”陈朝明指出,随着高通量和单细胞测序技术的不断发展,干细胞与再生医学、药物设计、公共健康与免疫等领域将产生海量科学数据,对于计算资源和软件算法的需求越来越大。

据介绍,广州健康院科研条件综合支撑中心以平台建设为导向,以技术支撑为主线,以资源共享为核心,实现每一个平台、每一台仪器、每一位用户、每一次结果的自动化、集成化管理,为支撑科技创新,服务国家战略按下了加速键。通过无代码开发模式,助力从纯粹的软件部署,到利用开源工具进行优化、扩展和流程整合,再到自主编写程序脚本和软件工具进行具有创新性的科学数据分析和创新应用的新范式。

该平台面向生物医药与健康,在构建生物医药专业应用模块的同时,及时吸收融合区块链、人工智能、可视化、低(零)代码等最前沿信息技术,贯彻“让信息多跑路、让科技人员零跑腿”的理念,最大程度减轻科技人员负担,让科技人员专注于问题本身的思考,从而大大降低了科技人员的时间、精力、资金的耗费,大大提高了科技人员的创新效率。

对于很多科研人员而言,等实验、等数据往往花费大量时间。从实验动物中心进行处理实验动物样本,到分析测试中心进行仪器操作,再到超级计算中心的数据计算,广州健康院的科研人员可以一站式完成。陈朝明说,其中起到关键纽带作用的计算平台虽然算力在华南地区很小,却成为华南地区生物医药领域专业背景最强、与一线应用结合最紧密、应用程序配套最完备、服务效率最高的生物医学(药)计算平台。

这是打破“数据孤岛”带来的实实在在的便利。作为生命科学研究重要的实验动物资源平台,为科技创新提供广泛的实验动物样本资源;作为科学数据产生的主要来源,高效提升科学数据产生的质量和能力;作为科学数据资源管理的关键平台,提供高效便捷的存算一体共享平台;作为科学数据资源创新利用不可或缺的大脑,为数据创新利用打造生命科学领域新基建。

党的二十大报告提到,推进健康中国建设,把保障人民生命健康放在优先发展的战略位置。广州健康院党委书记、副院长段子渊表示,广州健康院将以党的二十大精神为指引,以国家战略需求为导向,聚焦主责主业,以强烈的使命担当、忧患意识和斗争精神,狠抓工作落实,凝心聚力,进行原创性引领性科技攻关,增强自主创新能力,围绕研究院“十四五”规划,积极推进细胞谱系大设施、“国重”重组、“十四五”规划实施三大攻坚任务的分解落实,以实际行动践行创新驱动发展战略,为提升国家战略科技力量的整体效能作出主力军的贡献。

(本文图片由广州健康院提供)

《中国科学报》 (2022-11-07 第2版 专题)
 
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