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Running ahead of evolution—AI-based simulation for predicting future high-risk SARS-CoV-2 variants

可扩展性 严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2) 计算机科学 工作流程 突变 2019年冠状病毒病(COVID-19) 计算生物学 构造(python库) 2019-20冠状病毒爆发 大流行 加速 人工智能 生物 遗传学 基因 病毒学 医学 并行计算 数据库 疾病 病理 爆发 传染病(医学专业) 程序设计语言
作者
Jie Chen,Zhiwei Nie,Yu Wang,Kai Wang,Fan Xu,Zhiheng Hu,Bing Zheng,Zhennan Wang,Guoli Song,Jingyi Zhang,Jie Fu,Xiansong Huang,Zhongqi Wang,Zhixiang Ren,Qiankun Wang,Daixi Li,Dong‐Qing Wei,Bin Zhou,Chao Yang,Yonghong Tian
出处
期刊:International Journal of High Performance Computing Applications [SAGE Publishing]
卷期号:37 (6): 650-665 被引量:4
标识
DOI:10.1177/10943420231188077
摘要

The never-ending emergence of SARS-CoV-2 variations of concern (VOCs) has challenged the whole world for pandemic control. In order to develop effective drugs and vaccines, one needs to efficiently simulate SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain (RBD) mutations and identify high-risk variants. We pretrain a large protein language model with approximately 408 million protein sequences and construct a high-throughput screening for the prediction of binding affinity and antibody escape. As the first work on SARS-CoV-2 RBD mutation simulation, we successfully identify mutations in the RBD regions of 5 VOCs and can screen millions of potential variants in seconds. Our workflow scales to 4096 NPUs with 96.5% scalability and 493.9× speedup in mixed-precision computing, while achieving a peak performance of 366.8 PFLOPS (reaching 34.9% theoretical peak) on Pengcheng Cloudbrain-II. Our method paves the way for simulating coronavirus evolution in order to prepare for a future pandemic that will inevitably take place. Our models are released at https://github.com/ZhiweiNiepku/SARS-CoV-2_mutation_simulation to facilitate future related work.
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