【博科园-科学科普】你曾希望自己是个科学家吗？当世界进入21世纪的时候你有没有想过自己会为科学、技术和医学创新做出贡献？好吧你可能认为现在回去攻读博士学位已经太迟了，但你可以做一些事情来帮助改变世界——在任何年龄也许可以帮助你自己和你的健康。
这周人类微生物学史上最大规模的研究开始于IBM的一个项目，该项目由麻省理工学院和哈佛大学、麻省总医院、加利福尼亚大学、圣地亚哥分校和Flatiron研究所共同完成，你也可以参与其中。
病毒细胞闭合的医学例证。图片版权：Photo Courtesy of WorldCommunity Grid
它被称为微生物组免疫项目，它的目的是了解我们体内的数万亿细菌对1型糖尿病、克罗恩病和溃疡性结肠炎等疾病的影响，这些疾病被诊断出的频率越来越高。
你知道我们每个人体内都有多达30万亿个细菌吗？这些细菌生活在我们的消化系统中，是人类微生物组的一部分。这些细菌大部分是无害的，甚至是有益的。但有些人与疾病有关，如1型糖尿病、溃疡性结肠炎和克罗恩病。随着科学家们更好地了解人类微生物群落在疾病发展中的作用，他们将能够找到并创造更好的诊断和治疗方法。
但为了更好地理解所起到的作用在人类微生物组的各种细菌，科学家需要研究这些细菌产生的蛋白质编码的基因，加州大学圣地亚哥分校教授和美国的项目的创始人罗伯·奈特博士说：在科学家和非科学家为了理解肠道内的生活(多少和物种生活在我们的内脏)，找出特征健康和生病的勇气，第一步是确定每个细菌基因编码的蛋白质分子的物理结构(形状)。
这很重要，因为蛋白质的物理结构决定了它的功能。一旦确定了蛋白质功能，科学家就可以探索细菌蛋白如何相互作用，并确定哪些蛋白质在任何数量的疾病中起作用。从这些洞见中科学家们将能够开发出药物来控制这些特定的蛋白质，并帮助治疗那些起源于或受人类微生物组影响的疾病。
但这里有一个缺陷，一种公民科学项目，微生物免疫项目需要公众的帮助才能成功。这个项目的主要目标是生成一套完整的人类微生物群落的蛋白质结构，这些蛋白质结构包含了大约300万个独特的基因，以帮助科学家确定这些细菌所扮演的角色。该项目的结果将与世界各地的科学家分享，以进一步促进与微生物组有关的疾病的研究。
奈特说：这是针对人类微生物组的最大的计算努力，计算量很大，因为蛋白质3D结构很难计算。
加州大学圣地亚哥分校(UCSD)教授、美国肠道项目创始人罗布·奈特(Rob Knight)博士。图片版权：Photo Courtesy of Dr. Rob Knight
微生物组免疫项目的影响是巨大的，尤其是对美国老年人来说。该项目将着眼于整个人体，从肠道开始，仅凭肠道就有数万亿的细菌，近年来与越来越多的疾病和健康风险有关。许多障碍暗示肠道微生物组第一次出现或严重程度的增加,在以后的生活中，以下是最近的疾病都与肠道微生物组关联研究在人类和老鼠因果关系研究(即研究改变疾病的微生物变化结果模型中)：肥胖、哮喘、风湿性关节炎、重度抑郁症,炎症性肠病、1型和2型糖尿病、帕金森病和自闭症。
科学家们充分意识到他们的任务有多么艰巨，这就是IBM和它的世界社区网格的由来。
为了完成这项艰巨的任务，并在几十年里完成它，科学家需要大量的超级计能力来完成模拟和科学家的虚拟实验。因此他们正在征集公众的帮助来为IBM的世界社区电网供电，这是一种巨大的超级计算机，它运行在没有被使用的桌面的众包计算电源上。任何有电脑和互联网连接的人都可以参与其中并做出贡献。通过简单地将安全软件下载到您的桌面，网格能够识别空闲处理能力并在后台运行实验。
这些实验的数据将被麻省理工学院和哈佛大学、麻省总医院、加州大学圣地亚哥分校和Flatiron研究所的科学家使用，以发现预防和治疗这些疾病的新策略。
奈特说：它之所以需要这么多的计算，是因为计算蛋白质结构非常耗时，而且之前还没有在这种规模上做过，因为微生物组中有很多不同的蛋白质和不同的蛋白质家族。在过去对单个蛋白质感兴趣的研究人员已经通过计算技术或实验室解决了这些蛋白质的结构。在这个项目中我们试图同时为微生物组的所有蛋白质做它，这将提供一个更加全面的观点。
IBM公司Citizenship Program经理和世界社区网格的领导者JuanHindo解释了这一过程：了解细菌在微生物组中的作用的第一步是确定由细菌的每个基因编码的蛋白质分子的结构。蛋白质分子结构决定其功能。但这项研究的规模是巨大的。微生物组由大约300万个独特的细菌基因组成。相比之下人体有大约2万个基因。研究这些基因对应的蛋白质将是一个巨大的任务，在实验室里几乎是不可能的。
Hindo说：研究人员已经开发了可以预测蛋白质结构的建模工具。但这种计算研究技术需要的计算能力比科学家们通常所能获得的要多。因此大多数这些蛋白质尚未被探索。通过利用志愿者设备未使用的计算能力，并将问题集中在一起，数以百万计的计算，可能需要几十年的时间，在短短几年内就能完成。
但究竟什么是世界社区电网呢？IBM公司公民身份，公司的企业社会责任部门，在2004年创建了世界社区网格。把世界社区的电网看作是一种复杂的回收方式——在这种情况下当他们打开时，利用我们的人的电脑没有使用的电力，而不是在积极的使用中，并将其投入使用。
在过去科学家们将在培养皿和试管中进行实验。现在他们经常依靠计算机来模拟这些实验，看看如果不同的化合物被创造出来，以及它们对微观化学和生物物质或物质的反应会发生什么，数学计算通常是在物理实验的基础上进行的，至少最初是这样的，因为他们可以非常快地完成大量的实验，而且你不需要等某样东西出现在培养皿中。这些天多亏了计算机模拟实验，实际和物理实验才出现在实验室里，只有当他们看起来有很高的可能性向我们展示一些重要的东西时。
Hindo说：大规模地进行这些模拟实验需要大量的运算，大量的计算机能力和大量的金钱。IBM的世界社区网格(World Community Grid)在全球范围内利用了志愿者计算机和Android设备的闲置计算能力，而不是让科学家租用超级计算机来提供大量所需的计算能力。
有Microbiome免疫力项目的志愿者将下载一个微型软件程序，当他们的设备处于空闲状态时，比如当人们离开办公桌，或者设备充电时，它会检测到。然后软件程序启动计算机，为科学家的虚拟实验进行计算。
IBM世界社区的网格。图片版权：Photo Courtesy of WorldCommunity Grid)
志愿者简单地使用他们的电脑。该软件决定了未使用的计算能力的数量，并在后台运行，只使用不被志愿者使用的任何计算资源。它将优先考虑所有其他的事情，只使用那些原本会浪费的资源。这种非侵入性的设计确保它不会减慢或妨碍你在设备上做的事情。
此外该程序只在志愿者的设备充电时运行，因此它不会耗尽他们的电池。对于Android设备，下载一个计算程序，只有当志愿者的手机或平板连接到Wifi时才会上传一个结果，这样它就不会从志愿者的数据计划中使用数据。
这一过程在幕后迅速发生，不会影响计算机的正常运行。当计算完成后软件将结果返回给世界社区网格，IBM将所有其他志愿者的结果结合在一起，然后发送给科学家进行分析。然后研究人员分析这些数据以获得真知灼见和发现。
在志愿者的帮助下，在短短几年内就能完成了几十年的研究。对于微生物组免疫项目，志愿者们正在进行预测，预测细菌的功能——特别是通过预测其相关蛋白的结构在人体微生物组中。他们所需要做的就是加入世界社区网格，并在他们的设备上安装软件，这项工作并不依赖于任何关于他们自己的微生物组的样本或信息。
志愿者不必担心他们的个人信息的安全性。志愿者下载的软件无法访问该设备上的个人文件。它只是检测你的设备所使用的计算能力的数量，以确定是否有可用来运行计算，他说安全是我们的首要任务，专家们不断地测试系统的漏洞，以确保软件最新的威胁。安全性被构建在人们下载的软件程序中。它背后的编程已经开发并成功地测试了近20年的安全风险。世界社区网格使用由加利福尼亚大学和伯克利分校和国家科学基金会资助的项目开发的技术。
迄今为止有超过73.8万名志愿者和来自80个国家的440个组织的员工从300多万台电脑和Android设备中捐赠了超过100万年的计算时间。志愿者参与世界社区网格，帮助研究人员确定了儿童癌症的潜在治疗方法，更高效的太阳能电池，以及更有效的水过滤，并帮助科学家完成了与29个人道主义领域相关的研究，如癌症、寨卡病毒、艾滋病毒/艾滋病、热带忽视疾病等。
重要的是要记住超级计算是一个移动的目标。你的读者手里拿着智能手机的样子，可能是上世纪80年代地球上最快的超级计算机，因此计算的进步使得各种技术，从CT扫描到语音识别。迄今为止世界社区的网格主要集中在传染病和疾病，这些疾病在儿童时期首次出现，如肌肉萎缩症。然而一些关于癌症和艾滋病的项目提供了蛋白质结构的基本生物学信息，最终将有助于发现帮助这些疾病的人活得更久、更健康的新药物。
奈特说：虽然计算研究领域并不新鲜，但这样的研究技术已经变得越来越准确，比如预测实验室实验的结果。2013年诺贝尔化学奖授予了计算机科学家，他们开创了这一领域，认识到计算技术在现代研究中的重要作用。但这些工具都是资源密集型的——通常需要比科学家更大的计算能力。即使研究人员在他们的设备上有一台超级计算机，访问通常也是有限的，并与其他几个研究小组共享。因此科学家们将他们的计算项目范围缩小，以匹配可用的资源。
但是由世界社区网格志愿者提供的大量计算能力使得科学家能够以前所未有的规模和速度来处理研究。如果没有它，世界社区网络所支持的大部分研究都是不可能的。反过来这也导致了以下几项重要的科学进步：
全球领导的研究小组在北京清华大学的研究人员能够通过纳米管模型水流以前所未有的水平的细节，导致突破性发现的纳米技术可以用来改善获得清洁水为10亿年的世界各地的人们缺乏它。
在短短几年内日本Chiba癌症中心的研究人员利用世界社区的网格来筛选数百万种化合物作为潜在的神经母细胞瘤的候选物，这是一种常见的、危险的儿童癌症。这些化合物预计将最有效，然后在实验室进行测试，从而发现了一项突破性的发现，发现了7种有望治疗神经母细胞瘤的候选药物。在该项目的成功之后，该团队已经发展壮大，在日本、香港和美国都有合作者，并且已经回到了世界社区的网格中去寻找更广泛的儿科癌症的治疗方案。
哈佛大学(Harvard University)的研究人员进行了一项被认为是最广泛的量子化学调查。他们利用世界社区网格来筛选数以百万计的化合物作为潜在的太阳能电池材料。他们发现了超过35,000的潜在的碳基太阳能电池的平均效率。
在这项倡议中Hindo说IBM识别了需要计算机能力进行研究的科学家，然后帮助他们设计虚拟实验。然后IBM保留了项目的技术和管理方面，确保IBM的计算机服务器向志愿者发送计算任务，收集结果然后将其发送给科学家进行分析，同时保证信息安全。
任何人都可以通过加入世界社区网和在他们的计算机上安装自由软件应用程序来支持Microbiome免疫项目。
项目web站点会定期更新进度，与项目关联的屏幕保护程序显示了您自己的处理过程。主要成果将发表在科学文献上。
作者：Robin Seaton Jefferson
来自：Forbes science
编译：双螺旋
审校：博科园
