Detrás de la carrera contra el tiempo en la investigación científica está la competencia por la potencia informática.

El poder de la investigación del ADN antiguo

El ADN antiguo se refiere a moléculas biológicas antiguas extraídas de humanos antiguos, restos de animales y plantas y fósiles paleontológicos. Si se puede obtener la información más primitiva del ADN antiguo a partir de fósiles paleontológicos y muestras arqueológicas y compararla con la información genética de los humanos, animales y plantas modernos, podemos responder directamente al origen y la migración de los humanos, animales y plantas, y a la propagación y colisión. de civilizaciones, disputas históricas y otras cuestiones.

En la década de 1980, arqueólogos y biólogos moleculares introdujeron la investigación del ADN antiguo en la arqueología tradicional, formando la vanguardia de la investigación arqueológica internacional: la arqueología molecular. Como medio importante de la arqueología científica, la investigación del ADN antiguo ha desempeñado un papel importante en la solución de importantes cuestiones arqueológicas, como el origen y la migración de los humanos, la domesticación y domesticación de animales y plantas, y el origen y desarrollo temprano de la agricultura.

En el siglo XXI, con la popularización de la tecnología de secuenciación de segunda generación, la investigación del ADN antiguo ha marcado el comienzo de una época dorada de desarrollo. Los científicos chinos también están brillando intensamente en la ola de la arqueología molecular.

Ya en 1998, el Departamento de Arqueología de la Universidad de Jilin cooperó con la Facultad de Ciencias de la Vida para establecer el primer laboratorio arqueológico de ADN en China para llevar a cabo investigaciones sobre ADN antiguo. Hoy en día, el Laboratorio de ADN Antiguo ha establecido inicialmente un banco de genes de ADN antiguo en las zonas fronterizas de China, con más de 10.000 muestras de humanos, animales y plantas antiguos, ocupando el primer lugar en el país.

Según Cai Dawei, subdirector del Centro de Investigación Arqueológica Fronteriza de la Universidad de Jilin, es precisamente con estos abundantes recursos que en los últimos años, la Escuela de Arqueología de la Universidad de Jilin ha seguido innovando y abriéndose camino las ventajas del ADN antiguo, dando lugar al progreso de muchos proyectos importantes en el campo de la arqueología.

Por ejemplo, el análisis del genoma completo de muestras de animales de diferentes períodos a lo largo de la Ruta de la Seda reconstruyó el marco espaciotemporal de la expansión de los grupos de animales domésticos y reveló más detalles históricos de la Ruta de la Seda en los intercambios culturales entre los Oriente y Occidente Determinaron y analizaron la secuencia completa del genoma del primer trigo antiguo hace unos 3.800 años y exploraron el origen del cultivo, la difusión y la mejora genética de las variedades de trigo locales existentes. Este artículo informa los datos completos del genoma de 55 individuos antiguos en el norte de China, explora las interacciones poblacionales en el norte de China desde la Revolución Agrícola Neolítica y proporciona evidencia importante para explorar el origen, la formación y el desarrollo de la civilización china.

Problemas que restringen la investigación del ADN antiguo

Aunque la investigación del ADN antiguo está progresando rápidamente, todavía existen muchas dificultades.

Cai Dawei explicó que la investigación del ADN antiguo se divide principalmente en dos partes.

La primera parte consiste en extraer ADN de restos biológicos antiguos mediante medios experimentales y completar el proceso de amplificación. Tras la muerte de un organismo, el material genético de sus células comienza inmediatamente a degradarse, lo que aporta una gran resistencia a la extracción y amplificación del ADN. Además, la investigación se topará inevitablemente con el problema de la "contaminación" genética moderna.

La segunda parte es la secuenciación y análisis de datos. Debido a que los segmentos de secuencia genética del ADN antiguo son más cortos que los del ADN moderno, la secuenciación del ADN antiguo es más complicada que la del ADN moderno. Tomando como ejemplo a los humanos, el genoma humano consta de 3 mil millones de pares de bases. Después de que los arqueólogos obtienen la información de la secuencia de fragmentos de ADN humano antiguo, necesitan utilizar métodos bioinformáticos para comparar y ensamblar estos fragmentos para restaurar un genoma completo y de alta calidad como el ADN humano moderno.

"Este proceso es como completar un enorme rompecabezas. Sin el apoyo de un potente software y hardware, esta es una tarea imposible". Cui Yinqiu, vicedecano de la Facultad de Ciencias de la Vida de la Universidad de Jilin y profesor. del Centro de Investigación Arqueológica Frontier Sin rodeos.

Cai Dawei señaló que los primeros investigadores utilizaban equipos informáticos de uso general, como CPU, para realizar el ensamblaje de genes y descubrieron que el proceso era muy largo. "En general, se necesitan al menos dos semanas para completar el análisis de una muestra del genoma completo de un humano antiguo."

"Queremos dedicar el mayor tiempo posible al análisis de cuestiones científicas y la interpretación de los resultados, y en lugar de dedicar tiempo al procesamiento de datos y cálculos básicos, Cui Yinqiu dijo que esto requiere una nueva generación de tecnologías como la computación de alto rendimiento y la inteligencia artificial para ayudar a los científicos a acelerar el proceso de la arqueología molecular.

¿Cómo acelera la computación con IA la arqueología molecular?

Entonces, ¿cómo puede la potencia informática ayudar a acelerar todo el proceso de reconstrucción del rompecabezas genético?

Liu Jun, director general de la línea de productos de alto rendimiento y inteligencia artificial de Inspur, presentó como ejemplo la cooperación con el Laboratorio de ADN Arqueológico de la Universidad de Jilin. Inspur utiliza soluciones de aceleración de chips personalizadas para acelerar la comparación y el ensamblaje de secuencias de genes biológicos antiguos, y luego utiliza métodos y medios de inteligencia artificial para ayudar a los científicos a encontrar los genes mutantes de interés. Esta solución puede ayudar a los arqueólogos a completar el análisis del genoma completo en 9,64 horas y completar el análisis del exoma en 48 minutos, que es 39 veces más rápido que las soluciones basadas en CPU.

“Esto significa que los científicos chinos pueden completar la comparación y el empalme de todo el genoma humano antiguo en una cuadragésima parte del tiempo original”, enfatizó Liu Jun.

Todos sabemos que debido a que el ADN se puede copiar, especialmente cuando se transmite de padres a hijos, siempre que las mutaciones no sean fatales, estas mutaciones se copiarán y se transmitirán a la siguiente generación. Por lo tanto, las mutaciones se acumulan con el tiempo, lo que permite a los científicos encontrar líneas específicas de evolución genética y también estimar el tiempo según las mutaciones acumuladas.

“La pregunta es, ¿dónde están estos importantes genes mutantes? ¿Qué tipo de evolución han experimentado en la larga historia?” Liu Jun dijo con franqueza que a partir de este proceso de búsqueda, podemos entender verdadera y claramente cómo Trace. Los humanos han pasado por millones de años de historia evolutiva.

“Sin embargo, la secuencia del genoma empalmada es muy larga y es extremadamente difícil encontrar el proceso de mutación de un gen específico utilizando métodos tradicionales. Es como encontrar una aguja en un pajar”. Jun dijo que solo con la ayuda de métodos y medios de cálculo de inteligencia artificial, los científicos pueden encontrar los genes que más les interesan y genes mutantes importantes en el océano de genes.

Liu Jun cree: "Desde esta perspectiva, estamos creando una herramienta práctica para este tema antiguo, al igual que el microscopio y el telescopio en la historia de la ciencia". A través de cálculos de IA, los científicos del servicio pueden obtener evidencia objetiva detallada que no estaba disponible en el pasado, logrando así comprender la verdad histórica.

Liu Jun también mencionó específicamente que el proceso de combinar la informática de IA con la investigación arqueológica ha abierto a su vez los horizontes de la investigación informática. "Necesitamos mirar a lo lejos y en profundidad para ver en qué tipo de tecnología informática dependerá el futuro de la ciencia para afrontar los desafíos".