34、微生物系统的计算机模拟进化与基因集分类技术研究

微生物系统的计算机模拟进化与基因集分类技术研究

在生物学研究中，计算机模拟为我们理解微生物进化和基因表达分析提供了强大的工具。本文将探讨微生物系统的计算机模拟进化，特别是水平基因转移（HGT）在其中的作用，以及基因集分类技术在微阵列分类中的应用。

微生物系统模拟模型的优化

为了更好地模拟微生物系统的进化，研究人员对模型进行了多方面的优化。
- 混合MPI/OpenMP解决方案 ：通过实现混合MPI/OpenMP解决方案，每个MPI进程在多核计算节点上执行，分配给每个MPI进程的细胞存储在节点的共享内存中。细胞更新的计算周期在可用核心之间动态分配，通过创建周期和核心池来实现动态细胞分配，旨在消除通信期间的空闲时间。强弱缩放测试表明，该模型在多达8192个细胞的情况下具有近乎线性的加速比。
- 动态MPI负载平衡 ：添加动态MPI负载平衡后，会监测每个细胞的计算时间，并据此在MPI进程之间重新分配细胞，以实现核心之间更均衡的负载。细胞生长速率用于预测细胞分裂/死亡事件。虽然当前的负载平衡实现是分布式的，但可扩展的分层实现可以进一步提高模拟器的性能。

水平基因转移（HGT）的模拟与分析

在模型中，基因及其产物由三元组表示，因此HGT可被视为一个或多个三元组（移动遗传元件）在细胞间的转移。
- HGT事件的模拟 ：对于每个HGT事件，从供体细胞复制一个随机片段（即三元组的子集）并插入受体细胞的调控网络中。片段大小使用概率密度函数（归一化的S形函数）选择：
[P(n)=\frac{1 - \tanh(\frac{n