许多人听过这样一句话：“21世纪是生物学的世纪”。
而随着如今生物技术的发展，现在我国生物应用产业已经突飞猛进，尤其是在微基因应用上达到了国际一流水平，生物学也与其他学科一样，在数字化、智能化技术的加持下迎来了许多新的改变。日前，中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称天津工业生物所）与亚马逊云科技联合在天津举办“生物计算设计“沟通会，就BT+IT结合助力合成生物学发展的现状和未来进行沟通交流。
生物计算设计的痛点与挑战
2019年天津工业生物所成立了生物设计中心平台实验室，并围绕生物计算设计，开始与亚马逊云科技共同探索生物技术和信息技术相结合（BT+IT）技术体系，以进一步推动合成生物学发展，以期能够为在健康、能源、农业和环境等领域的科学研究提供技术支撑。而之所以要进行合作，一个很重要的与原因就是生物计算设计的全新挑战。
许多人印象中，生物研究不是一身白大褂、手持试管不断搅拌，就是在显微镜下仔细观察细胞切片，但其实在数字化的今天，生物研究已经与计算结合得越来越紧密。正是由于生物材料有着复杂性、多样性等特性，要想深入了解其内部细节和机制，就更需要广泛的领域知识和实验技能，需要与计算相结合。于是，就有了跨学科的“生物计算设计”，这也是当下合成生物学研究的主要领域之一。
生物计算设计需要从分子层面到途径及细胞水平考虑各种尺度的建模和优化问题，这对计算方法和软件工具的开发和集成都提出了严峻的挑战。同时与生物系统相比，计算模型和算法更容易出现不确定性和误差，因此生物计算设计需要保证高可靠性和稳定性。
总体说来，生物计算设计面临着计算机应用算法与模型等多维度的挑战，而本身生物计算设计又需要涉及生物学、物理学、化学、工程学等多个领域的知识，这就需要研究人员要整合各学科的专业知识和技能，对人的要求极高、科研难度极大。针对这样的情况，亚马逊云科技为天津工业生物所提供了业界领先的计算解决方案与算法实践，最大限度的将科研人员从复杂的计算体系架构中解放出来，让他们能够专心科研，提升业务水平。
云原生Serverless应用架构加速生物计算设计工具研发
所谓”工欲善其事，必先利其器”，在科学研究中工具的价值不可替代，无论是我们上面提到的试管、显微镜等有形设备，还是计算机程序、引用算法等无形设备。考虑到科研要求的标准化与严谨性，亚马逊云科技在合作之初就致力于为天津工业生物所提供一种轻量化、易操作、好上手的IT架构解决方案。同时结合天津工业生物所科学研究的专业性，也要保障数据安全的精确与可靠。
综合多种需求，天津工业生物所与亚马逊云科技合作，基于云原生Serverless应用架构，帮助科研人员聚焦应用，提升效率。从技术层面来说，Serverless具备了弹性扩展、灵活应用的优势，科研人员不需要管理服务器，所有的服务器的弹性都是由亚马逊云科技来做托管，这样就保障了应用程序的灵活开发和快速交付。同时它更细粒度的毫秒级计费，在没有业务使用的情况下不收费，也帮助天津工业生物所节省了成本。
而在业务层面，科研人员不再需要在重复的工作上花费精力，而是通过现代化应用这种理念去实现云原生构建，提高整体IT的敏捷性。因为不再去关注在底层的工作，科研人员可以更加关注业务逻辑，加速创新。
得益于亚马逊云科技的支持，面向微生物遗传操作，天津工业生物所生物设计中心团队开发出了第一个能够在所有操作类型、任何基因组位点和跨物种上进行精确、自动化和高通量编辑序列设计的云平台AutoESD。AutoESD能够在几分钟内并行处理包含上千个编辑序列设计目标的数百个设计任务。
开发人员利用Amazon Step Functions实现可视化的工作流管理，实现了编辑序列设计工作流的串联，从而实现应用的快速构建和更新，同时快速查询处理异常任务；利用Amazon Lambda将不同的引物设计、同源臂设计等编辑序列设计模块封装打包，满足了具体功能的模块化开发要求，并方便地对功能模块进行管理和共享；利用Amazon DynamoDB提供毫秒级的动态资源响应性能，并自动扩展所需资源以应对增加的业务需求。
对此，中国科学院天津工业生物技术研究所生物设计中心主任马红武表示：“亚马逊云科技提供的图数据库和Serverless服务，突破传统的开发模式、提升研发效率、不断优化云上成本，生物技术和信息技术相结合的技术体系将进一步推动合成生物领域的发展和创新。”
如今，亚马逊云科技提供的Serverless服务已经帮助天津工业生物所团队进一步简化运维，使得开发人员可以专注于业务代码和创新，与传统开发方式相比，开发时间缩短了75%，总体拥有成本降低50%。正如亚马逊云科技中国区商用与公共市场事业部总经理李晓芒所说：“我们很高兴能够与天津工业生物所一道，通过云技术和深厚的行业实践推动合成生物学领域的技术进步，开拓生物制造产业的数字化创新路径。”
一分耕耘一分收获。如今双方合作的成果已经在计算生物学国际期刊《Nucleic AcidsResearch》（《核酸研究》）上发表，这也是首个基于图数据库Amazon Neptune的大肠杆菌调控代谢关系知识图谱ERMer，首次提供了全局的代谢调控图谱，并通过可视化框架实现了丰富的搜索功能，如多步查询、最短路径查询等。ERMer采用专门为高度关联的复杂数据集的高效存储和查询设计图数据库架构，这打破了传统的低效数据检索方式，有效增强用户和图谱的人机交互，大大降低了使用门槛。
我们总说，数字化应用改变了我们的生活，但其实在我们看不到的方方面面，在众多行业的生产当中，也有像亚马逊云科技这样的行业巨头，正在通过先进的IT架构与计算应用，改变着传统的应用形态，也让更多的企业走上数字化发展的快车道。
