生物科学计算平台冷冻电镜结构解析实验室管理

杨 涛, 贾安宝, 阮华斌, 王亚坤, 刘 燕

(1. 清华大学 生命科学学院, 北京 100084； 2. 清华大学 蛋白质研究技术中心, 北京 100084)

生物科学计算平台冷冻电镜结构解析实验室管理

杨 涛1,2, 贾安宝1,2, 阮华斌1,2, 王亚坤1,2, 刘 燕1,2

(1. 清华大学 生命科学学院, 北京 100084； 2. 清华大学 蛋白质研究技术中心, 北京 100084)

以清华大学生命科学院生物计算平台冷冻电镜结构解析实验室管理为案例,介绍了实验室现状、制度体系、平台运行和成果4个部分,阐述了实验室管理和运行过程中经常出现的问题,提出了有效的改进措施,以便进一步提高设备的完好率和利用率,切实有效地为科研和教学服务,为建立高效有序的实验管理提供理论依据。

生物科学计算平台; 冷冻电镜结构解析实验室; 实验室管理及运行

生物计算平台面向信息技术和生物医学的交叉应用,通过构建专用的、高性能计算机集群,以及生物医学信息资源整合、共享、统一管理和维护,不仅能有效节省购置成本和运营开支,还可以大幅度提升信息资源的使用效率,以便更好地满足生物医学和交叉科学不断提出的新要求和挑战。据调研,国际上知名生物医学科研机构一般都已经拥有和运营类似平台,并有效地支撑了本机构的科研实验任务[1]。为满足生物学和医学高计算、大存储的特点和需求,整个平台在2016年共完成了3期建设,共有400余台计算设备,10 PB存储,以及拥有B、C、E 3个计算机集群。

冷冻电镜结构解析实验室隶属于清华大学校级公共科研平台——蛋白质研究技术中心[2]的生物计算平台,2015年6月开始运行并提供开放式服务。先进的管理经验与技巧可以提高实验室设备的完好率及利用率,切实有效地为科研和教学服务。本文将从实验室现状、制度体系、运维以及成果4个部分做一介绍,为进一步提升实验室管理水平提供参考依据。

1 实验室现状

1.1 硬件需求多样化

冷冻电镜结构解析实验室目前共有24个工作站,分别有10 Gb-10内网和40 Gb-IB内网互联,网络拓扑结构见图1。

图1 实验室网络拓扑结构

这24个工作站,为了满足不同的科研需要,按照硬件配置梯次分为3种:常规工作站、大内存工作站以及高主频工作站。具体的型号配置见表1。

1.2 软件安装技术要求

冷冻电镜结构解析实验室的软件安装对技术员是一个很大的技术挑战。软件安装的主要难度如下:

表1 工作站配置参数

(1) 种类庞杂。基本覆盖了结构生物学的大多数知名软件,以及各类生物学成像软件。

(2) 需求多样。不同的实验室对软件(操作系统版本、类型)和工具版本的不同需求。

(3) 依赖关系复杂。软件库之间的依赖关系众多且复杂,库冲突现象比较突出。

需要软件安装技术人员非常熟悉本专业领域的相关软件和应用程序,以便能够有效地保障设备的良好运行。

具体的软件安装管理分为4大类(见表2)。

表2 软件安装管理

2 制度体系

为了提高设备的完好率、利用率,切实有效地为教学和科研服务,生物计算实验室制定了一套严格、科学的管理制度。

2.1 冷冻电镜实验室管理

对实验室人员定期进行安全知识普及和抽查,在实验室内安装监控系统、自动报警装置和智能灭火装置进行消防预防。确保机房温度保持在20～25 ℃,湿度维持在40%～60%。计算机或其他设备发生故障损坏时,应及时向管理员报告。显示设备使用完毕后应及时关闭,实验室用电应根据实际需要开启相应的设备,关闭闲置的设备,避免用电浪费。严禁饮水或使用导电的物体、物质接触电源,做好静电防护。做到定期检查,防止设备仪器通电时间过长,温度过高,发热伤人的事故发生[3]。

2.2 实验人员管理

在清华大学生命科学院安全教育手册的基础上,针对实验室主管、实验室技术员、实验室助管、兼职人员制定管理制度,明确各岗位职责,制定奖惩机制[4-6],并且制定了实验人员行为准则。

2.3 实验室设备使用管理

严格按照设备的配置情况,制定并实施操作规程,并记录使用频率。按照使用频率的高低对设备做定期维护和保养。参照邹修明[7]的实验室管理方法,建立设备故障情况表。要求实验室管理人员必须掌握各设备的性能和容量极限,做好设备的维护工作。

2.4 实验室上机开账户与销账户管理

上机开账户要按照流程办理手续,首先下载账号申请表,由各实验室分别交给管理员和学科带头人签字,最后交由总管理员确认并开账户。实验室的学生只能在指定账户下登录与操作,严禁登录特权账户或他人账户,严禁私自在实验室主机上建立账户；未经允许,管理员不得私自开设账户。注销账号时首先填写销户申请表,经学科带头人签字确认,交由实验室管理员确认无误后销户,并做好相关记录登记。

3 面临的主要问题及解决方法

冷冻电镜结构解析实验室运行和管理过程中出现过一些问题,针对具体问题提出了不同的解决方法。

(1) 用户管理复杂的问题。采用分组的方式,以教授实验室为单位进行分组,各组设置组长,分担和管理部分工作(包括采集信息和修改密码等)。

(2) 存储管理复杂的问题。采用NIS服务器进行权限和安全控制,共享大存储。

(3) 图像带宽管理的问题。双线网络保持畅通,所有工作站各接入一路56 Gb-IB网络为主用,同时所有工作站各接入一路千兆网络为备用,双线均与后端存储互通,分担高强度网络负载。

(4) 会议文档和测试数据的预接受问题。提前开通大容量FTP和网盘,给演讲者提供上传空间,方便演讲者提前上传数据,提前到实验室测试,保障会议顺利进行。

(5) 对外服务的安全问题。提前将课件拷贝进大容量U盘,对部分有需要用户发放U盘。

(6) 数据安全问题。仅提供单独1台Windows主机,开放USB接口,专人值守,方便实验数据拷贝,其余工作站封闭所有USB接口。工作站上的数据被Windows主机隔离开,保证了数据的安全。基于隔离的数据传输达到了隔离传输介质和内网工作站的目的,保障了数据传输的带宽[8]。

(7) 空间狭小的问题。双人操作模式,通过视频会议软件,并与楼下拉通专用网络,同步音视频到楼下分会场,和楼下分会场进行联动,保证楼下会议室能够正常观看收听解析实验室内的讲课,并形成良好互动(见图2)。

图2 会议联动图

(8) 复杂软件操作的问题。每个用户提前批量开通独立用户名、密码进入系统,互相不干扰。解析实验室内投影仪与大屏幕显示器同步播出,学生直接观看教师讲解和操作。

(9) 事故问题。计算平台制定严格的服务质量标准,规范操作,并记录操作事故的现象,分析并给出报告,达到减少事故的目的[9]。

(10) 实验室的规模小、数量多、功能单一的问题。针对这一问题,可以运用资源共享,使不同实验室的改进和努力能够为其他实验室所借鉴,减少了重复做功的情况[10]。

3.1 运行及维护

本实验室的运维主要在于值守(面对面答疑、软硬件维修等服务)和监控(主要依照实时监控的资源使用情况为新用户推荐相对空闲的机器)。主要依靠Paramon和Ganlia等监控软件来实现。

此外,制定了相关的实验室运行和维护规定。如“冷冻电镜解析结构实验室管理制度”“冷冻电镜解析结构实验室管理制度” “冷冻电镜解析结构实验室用户管理手册”“冷冻电镜解析结构实验室工作站安装设置指导”“冷冻电镜解析结构实验室管理员管理制度”等。这些规章制度保障了设备的正常运行与维护,有效地为教学和科研提供了良好的服务。

3.2 成果

3.2.1 支持科研成果

冷冻电镜结构解析实验室实现了对所有冷冻电镜结构解析主流的软件总集成使用。积极参与冷冻电镜高速数据采集、转储、备份和基于GPU、IB的数据预处理的科研工作,图像处理速度突破500 MB/s,达到世界一流水平。用户数已达到80个,科研支持成果包括参与多方协作的对电镜著名软件Relion的性能提升相关的科研工作；完成了天津超算中心的冷冻电镜结构解析软件测试工作等; 还包括发表在世界一流学术期刊的研究成果(见表3),并荣获2015年度清华大学蛋白质研究技术中心优秀机组等荣誉称号。

表3 技术支持成果

此外,冷冻电镜结构解析实验室支持的学术研讨会和学术会议有“中国结构生物学冷冻电镜培训班[11]” “国际冷冻电子显微镜高级图像处理研讨会”“国家蛋白质技术中心细胞影像平台Imaris高级应用培训会”等。推动了这一领域的学术交流,扩大了学术影响面。

3.2.2 工作成效

清华大学蛋白质研究技术中心在2016年1月进行了一次各平台用户满意度调查,共收回339张问卷,其中电子版56张,纸版283张,涉及冷冻电镜结构解析实验室相关投票的问卷共有144份。经汇总统计,冷冻电镜结构解析实验室用户满意度调查结果见表4。

表4 冷冻电镜结构解析实验室用户满意度调查 %

调查结果显示,冷冻电镜结构解析实验室的综合服务能力较好,在预约情况、技术水平及服务态度上客户满意度都达到了81%以上,其中服务态度方面客户满意度最佳,高达87.50%,技术水平为81.68%。实验室还应通过进一步加强对技术人员的培训和考核,增加客户的满意度。

4 结语

由于电镜技术和图像处理及分析技术的长足发展,冷冻电镜技术已经可以对单个蛋白质结构做出原子尺度的精确测量[12]。可以预测在今后几年内,该方法将会逐步完全取代X光晶体衍射技术,成为结构生物学研究的最重要设备,冷冻电镜结构解析实验室的作用不言而喻。

本文通过对冷冻电镜实验室现状、制度体系、平台运维及成果4个部分的介绍,为科研和教学服务以及建立高效有序的实验室管理提供了依据,使得电镜资源能被科研人员更加高效地使用,从而大大缩短科研成果发布周期。清华大学蛋白质研究中心计算平台冷冻电镜结构解析实验室将通过提高设备的利用效率和质量,支撑更多高水平的科研工作以及国际会议, 为用户提供更好的服务。

References)

[1] 杨涛. 一种新型的生物医学计算平台运维方法[J].生物学杂志, 2016,(33)1:112-115,118.

[2] 潘勋, 师亚敏, 常在, 等. 公共科研平台岗位设置与考评流动机制的实践与思考[J]. 实验技术与管理, 2015, 32(7): 1-4.

[3] 李淑春. 加强电教实验室安全管理是做好教学科研的根本保障[J]. 实验技术与管理, 2009, 26(3):168-169.

[4] 伍燕青. 基于云计算的实验室管理信息系统设置[J]. 实验室研究与探索,2013,32(8):291-296.

[5] 何瑜,文惠. 论高校实验室管理制度[J]. 四川教育学院学报,2012(12) :22-25.

[6] 张艳芳,刘成中. 新形势下高校实验室开放管理与运行机制的研究[J]. 实验技术与管理,2013,30(3):180-183.

[7] 邹修明,张岳新. 高校计算机实验室安全管理探讨[J]. 现代电子技术,2001(12):12-13,16.

[8] 温先辉. 基于转发隔离的文件安全传输系统的设计与实现[D]. 北京：北京邮电大学, 2013.

[9] 杨涛,王亚坤. 基于ITIL的生物高性能计算平台的管理[J]. 生物技术世界, 2015(5):151-152.

[10] 陈赟. 高校计算机实验室信息管理系统设计与分析探讨[J]. 电子制作, 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, 张景强. 结构生物学研究方法的重大突破―电子直接探测相机在冷冻电镜中的应用[J]. 生物物理学报,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

杨涛(1976—),男,重庆,博士,工程师，主要研究方向为高性能并行计算、VANETs安全及操作系统安全

E-mail：ytao@biomed.tsinghua.edu.cn

王亚坤(1982—),男,江苏盱眙,本科，工程师,主要研究方向为高性能并行计算、高性能网络及安全.

G642.0

A

1002-4956(2017)2-0227-04