生物科學計算平臺冷凍電鏡結構解析實驗室管理

楊 濤, 賈安寶, 阮華斌, 王亞坤, 劉 燕

(1. 清華大學 生命科學學院, 北京 100084； 2. 清華大學 蛋白質研究技術中心, 北京 100084)

生物科學計算平臺冷凍電鏡結構解析實驗室管理

楊 濤1,2, 賈安寶1,2, 阮華斌1,2, 王亞坤1,2, 劉 燕1,2

(1. 清華大學 生命科學學院, 北京 100084； 2. 清華大學 蛋白質研究技術中心, 北京 100084)

以清華大學生命科學院生物計算平臺冷凍電鏡結構解析實驗室管理為案例,介紹了實驗室現狀、制度體系、平臺運行和成果4個部分,闡述了實驗室管理和運行過程中經常出現的問題,提出了有效的改進措施,以便進一步提高設備的完好率和利用率,切實有效地為科研和教學服務,為建立高效有序的實驗管理提供理論依據。

生物科學計算平臺; 冷凍電鏡結構解析實驗室; 實驗室管理及運行

生物計算平臺面向信息技術和生物醫學的交叉應用,通過構建專用的、高性能計算機集群,以及生物醫學信息資源整合、共享、統一管理和維護,不僅能有效節省購置成本和運營開支,還可以大幅度提升信息資源的使用效率,以便更好地滿足生物醫學和交叉科學不斷提出的新要求和挑戰。據調研,國際上知名生物醫學科研機構一般都已經擁有和運營類似平臺,并有效地支撐了本機構的科研實驗任務[1]。為滿足生物學和醫學高計算、大存儲的特點和需求,整個平臺在2016年共完成了3期建設,共有400余臺計算設備,10 PB存儲,以及擁有B、C、E 3個計算機集群。

冷凍電鏡結構解析實驗室隸屬于清華大學校級公共科研平臺——蛋白質研究技術中心[2]的生物計算平臺,2015年6月開始運行并提供開放式服務。先進的管理經驗與技巧可以提高實驗室設備的完好率及利用率,切實有效地為科研和教學服務。本文將從實驗室現狀、制度體系、運維以及成果4個部分做一介紹,為進一步提升實驗室管理水平提供參考依據。

1 實驗室現狀

1.1 硬件需求多樣化

冷凍電鏡結構解析實驗室目前共有24個工作站,分別有10 Gb-10內網和40 Gb-IB內網互聯,網絡拓撲結構見圖1。

圖1 實驗室網絡拓撲結構

這24個工作站,為了滿足不同的科研需要,按照硬件配置梯次分為3種:常規工作站、大內存工作站以及高主頻工作站。具體的型號配置見表1。

1.2 軟件安裝技術要求

冷凍電鏡結構解析實驗室的軟件安裝對技術員是一個很大的技術挑戰。軟件安裝的主要難度如下:

表1 工作站配置參數

(1) 種類龐雜。基本覆蓋了結構生物學的大多數知名軟件,以及各類生物學成像軟件。

(2) 需求多樣。不同的實驗室對軟件(操作系統版本、類型)和工具版本的不同需求。

(3) 依賴關系復雜。軟件庫之間的依賴關系眾多且復雜,庫沖突現象比較突出。

需要軟件安裝技術人員非常熟悉本專業領域的相關軟件和應用程序,以便能夠有效地保障設備的良好運行。

具體的軟件安裝管理分為4大類(見表2)。

表2 軟件安裝管理

2 制度體系

為了提高設備的完好率、利用率,切實有效地為教學和科研服務,生物計算實驗室制定了一套嚴格、科學的管理制度。

2.1 冷凍電鏡實驗室管理

對實驗室人員定期進行安全知識普及和抽查,在實驗室內安裝監控系統、自動報警裝置和智能滅火裝置進行消防預防。確保機房溫度保持在20～25 ℃,濕度維持在40%～60%。計算機或其他設備發生故障損壞時,應及時向管理員報告。顯示設備使用完畢后應及時關閉,實驗室用電應根據實際需要開啟相應的設備,關閉閑置的設備,避免用電浪費。嚴禁飲水或使用導電的物體、物質接觸電源,做好靜電防護。做到定期檢查,防止設備儀器通電時間過長,溫度過高,發熱傷人的事故發生[3]。

2.2 實驗人員管理

在清華大學生命科學院安全教育手冊的基礎上,針對實驗室主管、實驗室技術員、實驗室助管、兼職人員制定管理制度,明確各崗位職責,制定獎懲機制[4-6],并且制定了實驗人員行為準則。

2.3 實驗室設備使用管理

嚴格按照設備的配置情況,制定并實施操作規程,并記錄使用頻率。按照使用頻率的高低對設備做定期維護和保養。參照鄒修明[7]的實驗室管理方法,建立設備故障情況表。要求實驗室管理人員必須掌握各設備的性能和容量極限,做好設備的維護工作。

2.4 實驗室上機開賬戶與銷賬戶管理

上機開賬戶要按照流程辦理手續,首先下載賬號申請表,由各實驗室分別交給管理員和學科帶頭人簽字,最后交由總管理員確認并開賬戶。實驗室的學生只能在指定賬戶下登錄與操作,嚴禁登錄特權賬戶或他人賬戶,嚴禁私自在實驗室主機上建立賬戶；未經允許,管理員不得私自開設賬戶。注銷賬號時首先填寫銷戶申請表,經學科帶頭人簽字確認,交由實驗室管理員確認無誤后銷戶,并做好相關記錄登記。

3 面臨的主要問題及解決方法

冷凍電鏡結構解析實驗室運行和管理過程中出現過一些問題,針對具體問題提出了不同的解決方法。

(1) 用戶管理復雜的問題。采用分組的方式,以教授實驗室為單位進行分組,各組設置組長,分擔和管理部分工作(包括采集信息和修改密碼等)。

(2) 存儲管理復雜的問題。采用NIS服務器進行權限和安全控制,共享大存儲。

(3) 圖像帶寬管理的問題。雙線網絡保持暢通,所有工作站各接入一路56 Gb-IB網絡為主用,同時所有工作站各接入一路千兆網絡為備用,雙線均與后端存儲互通,分擔高強度網絡負載。

(4) 會議文檔和測試數據的預接受問題。提前開通大容量FTP和網盤,給演講者提供上傳空間,方便演講者提前上傳數據,提前到實驗室測試,保障會議順利進行。

(5) 對外服務的安全問題。提前將課件拷貝進大容量U盤,對部分有需要用戶發放U盤。

(6) 數據安全問題。僅提供單獨1臺Windows主機,開放USB接口,專人值守,方便實驗數據拷貝,其余工作站封閉所有USB接口。工作站上的數據被Windows主機隔離開,保證了數據的安全。基于隔離的數據傳輸達到了隔離傳輸介質和內網工作站的目的,保障了數據傳輸的帶寬[8]。

(7) 空間狹小的問題。雙人操作模式,通過視頻會議軟件,并與樓下拉通專用網絡,同步音視頻到樓下分會場,和樓下分會場進行聯動,保證樓下會議室能夠正常觀看收聽解析實驗室內的講課,并形成良好互動(見圖2)。

圖2 會議聯動圖

(8) 復雜軟件操作的問題。每個用戶提前批量開通獨立用戶名、密碼進入系統,互相不干擾。解析實驗室內投影儀與大屏幕顯示器同步播出,學生直接觀看教師講解和操作。

(9) 事故問題。計算平臺制定嚴格的服務質量標準,規范操作,并記錄操作事故的現象,分析并給出報告,達到減少事故的目的[9]。

(10) 實驗室的規模小、數量多、功能單一的問題。針對這一問題,可以運用資源共享,使不同實驗室的改進和努力能夠為其他實驗室所借鑒,減少了重復做功的情況[10]。

3.1 運行及維護

本實驗室的運維主要在于值守(面對面答疑、軟硬件維修等服務)和監控(主要依照實時監控的資源使用情況為新用戶推薦相對空閑的機器)。主要依靠Paramon和Ganlia等監控軟件來實現。

此外,制定了相關的實驗室運行和維護規定。如“冷凍電鏡解析結構實驗室管理制度”“冷凍電鏡解析結構實驗室管理制度” “冷凍電鏡解析結構實驗室用戶管理手冊”“冷凍電鏡解析結構實驗室工作站安裝設置指導”“冷凍電鏡解析結構實驗室管理員管理制度”等。這些規章制度保障了設備的正常運行與維護,有效地為教學和科研提供了良好的服務。

3.2 成果

3.2.1 支持科研成果

冷凍電鏡結構解析實驗室實現了對所有冷凍電鏡結構解析主流的軟件總集成使用。積極參與冷凍電鏡高速數據采集、轉儲、備份和基于GPU、IB的數據預處理的科研工作,圖像處理速度突破500 MB/s,達到世界一流水平。用戶數已達到80個,科研支持成果包括參與多方協作的對電鏡著名軟件Relion的性能提升相關的科研工作；完成了天津超算中心的冷凍電鏡結構解析軟件測試工作等; 還包括發表在世界一流學術期刊的研究成果(見表3),并榮獲2015年度清華大學蛋白質研究技術中心優秀機組等榮譽稱號。

表3 技術支持成果

此外,冷凍電鏡結構解析實驗室支持的學術研討會和學術會議有“中國結構生物學冷凍電鏡培訓班[11]” “國際冷凍電子顯微鏡高級圖像處理研討會”“國家蛋白質技術中心細胞影像平臺Imaris高級應用培訓會”等。推動了這一領域的學術交流,擴大了學術影響面。

3.2.2 工作成效

清華大學蛋白質研究技術中心在2016年1月進行了一次各平臺用戶滿意度調查,共收回339張問卷,其中電子版56張,紙版283張,涉及冷凍電鏡結構解析實驗室相關投票的問卷共有144份。經匯總統計,冷凍電鏡結構解析實驗室用戶滿意度調查結果見表4。

表4 冷凍電鏡結構解析實驗室用戶滿意度調查 %

調查結果顯示,冷凍電鏡結構解析實驗室的綜合服務能力較好,在預約情況、技術水平及服務態度上客戶滿意度都達到了81%以上,其中服務態度方面客戶滿意度最佳,高達87.50%,技術水平為81.68%。實驗室還應通過進一步加強對技術人員的培訓和考核,增加客戶的滿意度。

4 結語

由于電鏡技術和圖像處理及分析技術的長足發展,冷凍電鏡技術已經可以對單個蛋白質結構做出原子尺度的精確測量[12]。可以預測在今后幾年內,該方法將會逐步完全取代X光晶體衍射技術,成為結構生物學研究的最重要設備,冷凍電鏡結構解析實驗室的作用不言而喻。

本文通過對冷凍電鏡實驗室現狀、制度體系、平臺運維及成果4個部分的介紹,為科研和教學服務以及建立高效有序的實驗室管理提供了依據,使得電鏡資源能被科研人員更加高效地使用,從而大大縮短科研成果發布周期。清華大學蛋白質研究中心計算平臺冷凍電鏡結構解析實驗室將通過提高設備的利用效率和質量,支撐更多高水平的科研工作以及國際會議, 為用戶提供更好的服務。

References)

[1] 楊濤. 一種新型的生物醫學計算平臺運維方法[J].生物學雜志, 2016,(33)1:112-115,118.

[2] 潘勛, 師亞敏, 常在, 等. 公共科研平臺崗位設置與考評流動機制的實踐與思考[J]. 實驗技術與管理, 2015, 32(7): 1-4.

[3] 李淑春. 加強電教實驗室安全管理是做好教學科研的根本保障[J]. 實驗技術與管理, 2009, 26(3):168-169.

[4] 伍燕青. 基于云計算的實驗室管理信息系統設置[J]. 實驗室研究與探索,2013,32(8):291-296.

[5] 何瑜,文惠. 論高校實驗室管理制度[J]. 四川教育學院學報,2012(12) :22-25.

[6] 張艷芳,劉成中. 新形勢下高校實驗室開放管理與運行機制的研究[J]. 實驗技術與管理,2013,30(3):180-183.

[7] 鄒修明,張岳新. 高校計算機實驗室安全管理探討[J]. 現代電子技術,2001(12):12-13,16.

[8] 溫先輝. 基于轉發隔離的文件安全傳輸系統的設計與實現[D]. 北京：北京郵電大學, 2013.

[9] 楊濤,王亞坤. 基于ITIL的生物高性能計算平臺的管理[J]. 生物技術世界, 2015(5):151-152.

[10] 陳赟. 高校計算機實驗室信息管理系統設計與分析探討[J]. 電子制作, 2013(6):192-192.

[11] The Biophysical Society of China.[EB/OL].http://cbi.ibp.ac.cn/workshop/workshop2015/workshop2015_may/index.html.

[12] 柳正, 張景強. 結構生物學研究方法的重大突破―電子直接探測相機在冷凍電鏡中的應用[J]. 生物物理學報,2014(6):405-415.

Management of Freezing EM Structure Analysis Laboratory with biological computing platform

Yang Tao1,2, Jia Anbao1,2, Ruan Huabin1,2, Wang Yakun1,2,Liu Yan1,2

(1. School of Life Sciences, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Protein Research Technology Center, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Taking the management of Freezing EM (Electron Microscope) Structure Analysis Laboratory with the biological computing platform in School of Life Sciences at Tsinghua University as a case, the following four sections: present situation of the laboratory, the laboratory system, operation and achievements are introduced, the common problems in the laboratory management and operation are elaborated on, and the effective improvement measures are put forward so as to further improve the availability and utilization ratio of the equipment, provide the effective service for research and teaching, and offer the theoretical basis for the establishment of efficient and orderly laboratory management.

biological computing platform; Freezing EM (Electron Microscope) Structure Analysis Laboratory; laboratory management and operation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.059

2016-08-24

楊濤(1976—),男,重慶,博士,工程師，主要研究方向為高性能并行計算、VANETs安全及操作系統安全

E-mail：ytao@biomed.tsinghua.edu.cn

王亞坤(1982—),男,江蘇盱眙,本科，工程師,主要研究方向為高性能并行計算、高性能網絡及安全.

G642.0

A

1002-4956(2017)2-0227-04