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Beschleunigung der medizinischen Forschung und schnellere Testergebnisse

Zentrum für translationale Mikrobiomforschung (CTMR), Karolinska-Institut

BRANCHE

Gesundheitswesen und Biowissenschaften, Bildung

LÖSUNGEN

Infrastruktur für Virtualisierung: Modernisierung und Optimierung von Ressourcen

HARDWARE

SOFTWARE

Hitachi Unified Compute Platform Advisor

VMware vSphere Enterprise Plus

SERVICES

Standard Support

PARTNER

Advania (Reseller), Broadcom, Cisco, VMware

Herausforderung

Herausforderung:

Schnellere Testergebnisse und Beschleunigung der Erforschung von SARS-CoV-2 (COVID-19) sowie Flexibilität bei der Analyse großer Datenmengen.

Lösung

Lösung:

Bereitstellung einer konvergierten Infrastruktur mit hoher Leistung und Automatisierung zum schnelleren Durchführen von komplexen Analysen.

Ergebnisse

  • Vertikale Skalierung der Analyseleistung zur Verarbeitung großer Mengen an DNA-Sequenzierungsdaten pro Woche
  • Beschleunigung der medizinischen Forschung (einschließlich zu COVID-19) durch sofortige Erkenntnisse ohne Verzögerungen
  • Transformation einer statischen Infrastruktur in eine dynamische, hoch automatisierte Cluster-Lösung
  • Einrichtung einer flexiblen und modularen hausinternen Computing-Plattform mit hoher Leistung

Herausforderung: Förderung der öffentlichen Gesundheit durch medizinische Forschung

Das schwedische Karolinska-Institut ist eine der weltweit führenden medizinischen Universitäten. Seine Mission ist es, einen Beitrag zur Förderung der menschlichen Gesundheit zu leisten. Es veröffentlicht jedes Jahr mehr als 6.000 wissenschaftliche Publikationen, die einem Peer-Review unterzogen wurden. Die Universität hat eine Sonderstellung in der akademischen Welt, da die Nobelversammlung am Karolinska-Institut für die Auswahl der Nobelpreisträger in Physiologie oder Medizin verantwortlich ist.

Das Zentrum für translationale Mikrobiomforschung (CTMR) an der Fakultät für Mikro-, Tumor- und Zellbiologie des Karolinska-Instituts ist eine innovative öffentlich-private Partnerschaft mit Ferring Pharmaceuticals. Ferring Pharmaceuticals ist ein forschungsorientiertes, spezialisiertes biopharmazeutisches Unternehmen mit Hauptsitz in der Schweiz und Wurzeln in Schweden.

Die Wissenschaftler am CTMR arbeiten daran, die Erforschung aller Aspekte chronischer Erkrankungen im Magen-Darm-Trakt zu beschleunigen und die Auswirkungen des Mikrobioms auf die reproduktive Gesundheit besser zu verstehen. Das oberste Ziel besteht darin, das Potenzial des menschlichen Mikrobioms – die Gesamtheit aller Mikroorganismen im Verdauungssystem des Körpers – zu erschließen, um Behandlungen zu verbessern und Krankheiten vorzubeugen.

Fredrik Boulund, Leiter der Bioinformatik am CTMR, erklärt: „Ein Großteil unserer Arbeit besteht in der Analyse von Laborproben. Wenn wir uns DNA-Sequenzierungsdaten ansehen, stellen wir zuerst fest, welche Mikroorganismen in der Probe enthalten sind. Wir analysieren die multidimensionalen Mikrobiomdaten, um die Zusammensetzung der Gesamtheit zu verstehen. Anschließend untersuchen wir, wie sich die Mikroorganismen in der Probe verhalten – was sie verbrauchen und was sie produzieren können. Wir müssen herausfinden, wie sich die Eigenschaften der Mikrobiomgesamtheit in den Proben auf unsere Forschungsfragen beziehen.“

Diese Forschung ist sehr rechen- und speicherintensiv. Das CTMR hat über die Swedish National Infrastructure for Computing (SNIC) Zugang zu gemeinsam genutzten Hochleistungscomputern (HPC). Es benötigte jedoch das ganze Jahr über Zugang zu flexibleren Rechenkapazitäten, um große Mengen von Proben zu verarbeiten, deren Eintreffen schwer vorherzusehen war.

„Die Verwendung externer Rechenressourcen war eine nützliche Option, schränkte aber auch unsere Produktivität ein“, sagt Boulund. „Der gesamte Workflow hatte eine langsame Feedbackschleife. Nach der Planung der Analyse mussten wir die Rohdaten auf die gemeinsam genutzten HPC-Systeme hochladen und Rechenaufträge an die zentrale Warteschlange senden. Dann mussten wir stunden- oder sogar tagelang warten, bis die Aufträge abgeschlossen – oder fehlgeschlagen – waren. Als wir anfingen, unsere Belegung auf den gemeinsam genutzten HPC-Systemen zu überschreiten, begannen wir, nach neuen Optionen zu suchen, um schneller und flexibler Erkenntnisse zu erhalten.“

2020 wurde das CTMR außerdem von der schwedischen Regierung beauftragt, über die Grundlagenforschung hinauszugehen und ein neues National Pandemic Centre (NPC) einzurichten. Das NPC wurde zusammen mit SciLifeLab (Science for Life Laboratory), einer Organisation zur Förderung der molekularen Biowissenschaften in Schweden, ins Leben gerufen. Zur Stärkung der Reaktion Schwedens auf die Coronakrise analysierte das NPC pro Woche etwa 45.000 PCR-Tests. Im Laufe der Pandemie entwickelte es sich zu einer der größten Laboreinrichtungen Schwedens für SARS-CoV-2 (COVID-19)-Analysen. Zeitweise stellte das NPC bis zu einem Fünftel der gesamten Testkapazität des Landes bereit.

Eine der Hauptaufgaben des NPC besteht darin, Forschern, die an COVID-19 arbeiten, fortschrittliche Technologien und Fachwissen zur Verfügung zu stellen. „Als die Arbeit während der Coronakrise begann, mussten wir plötzlich viel mehr Daten bewältigen“, fügt Boulund hinzu. „Unser Team musste schnell unsere Kapazitäten für die Datenanalyse erweitern, damit wir unseren Beitrag leisten konnten, die SARS-CoV-2-Forschung voranzutreiben.“

Maßgebend dabei war der Einsatz der konvergenten Infrastrukturlösung von Hitachi Vantara, um vollständige SARS-Cov-2-Genomsequenzen zu analysieren und zusammenzusetzen. Diese Forschungsergebnisse werden veröffentlicht, um zu den weltweiten Bemühungen von Wissenschaftlern und medizinischem Personal zu einer effektiveren Bekämpfung der Coronakrise beizutragen.

– Fredrik Boulund, Leiter der Bioinformatik, Zentrum für translationale Mikrobiomforschung, Karolinska-Institut

Lösung: Flexible und schnelle IT dort, wo sie wirklich benötigt wird

Hitachi Vantara erkannte den Bedarf an leistungsfähigeren IT-Ressourcen und wandte sich an das CTMR, um die Auswertung von Coronatests und die Erforschung von COVID-19 zu unterstützen. Das CTMR führte IT-Services und Analyseaufträge auf zwei physischen Servern in einer sehr statischen Konfiguration ohne Virtualisierung oder Skalierbarkeit aus.

Das Team von Hitachi Vantara entwarf eine konvergente Infrastrukturlösung für das CTMR. Gemeinsam implementierten sie eine Hitachi Unified Compute Platform CI-Lösung in Kombination mit Hitachi Virtual Storage Platform F370-Arrays. Hitachi Vantara entschied sich für Cisco-Switches, um eine optimale Netzwerkleistung sicherzustellen.

Die Lösung integriert Rechen-, Speicher-, Netzwerk- und Managementsoftware und bietet ein hohes Maß an Flexibilität durch die Verwendung von VMware-Virtualisierung zur dynamischen Anpassung von Ressourcen. Unterdessen vereinfacht die Hitachi Unified Compute Platform Advisor-Software das Systemmanagement und automatisiert Verwaltungsaufgaben. Das Team kann außerdem selbst HPC-Standardtools wie Slurm für das Cluster-Management und die Auftragsplanung in der virtualisierten Serverinfrastruktur bereitstellen und verwenden.

Hitachi Vantara arbeitete mit seinen Partnern Cisco und VMware zusammen, um dem CTMR einen großzügigen Kredit anzubieten. Dadurch sollte die Implementierung beschleunigt werden. „Hitachi Vantara, Cisco und VMware haben uns ein sehr großzügiges Angebot gemacht“, bemerkt Boulund. „Durch ihr Engagement und ihre geschäftliche Flexibilität konnten wir von einer neuen, leistungsstarken IT-Lösung profitieren, noch bevor die vollständige Finanzierung gesichert war.“

Die Lösung erfüllt die strengen Regeln und Anforderungen der zentralen IT der Universität und ist in einem der Hauptrechenzentren der Universität installiert.

Ergebnis: Bekämpfung einer globalen Pandemie und Gewinnung sofortiger Erkenntnisse

Dank Hitachi Vantara konnte das CTMR eine flexible und modulare hausinterne HPC-Plattform aufbauen. Durch das Management seiner Ressourcen mit VMware-Virtualisierung und Hitachi UCP Advisor war das CTMR in der Lage, die Systemverwaltung zu optimieren und Bereitstellungs- und Systemmanagementaufgaben zu automatisieren. Das Team kann seinen Cluster schnell und einfach neu konfigurieren, indem es Virtual Machines für bestimmte Rechenaufgaben nach Bedarf hoch- und herunterfährt.

„Anhand der Automatisierungsfunktionen von Hitachi UCP Advisor können wir neue Instanzen je nach Bedarf basierend auf standardisierten Vorlagen starten“, führt Boulund aus. „Dieser Ansatz hilft uns dabei, die Instanzgrößen an die Verarbeitungsaufgaben anzupassen und so kurzfristig die Leistung projektübergreifend zu maximieren. Dadurch können wir unsere Ressourcen viel intelligenter nutzen und langfristig schneller auf Anfragen unserer Forscher reagieren.“

Die Lösung hilft dem CTMR dabei, die Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung der nächsten Generation voll auszuschöpfen, mit der wöchentlich sehr große Mengen an Sequenzierungsdaten generiert werden können. „Der praktische Nutzen für unsere Forscher ist beträchtlich“, bestätigt Boulund. „Wir können neue Erkenntnisse in viel kürzerer Zeit gewinnen. In der Vergangenheit konnte es Tage oder sogar Wochen dauern, bis wir die Ergebnisse erhielten, was unsere Forschung erheblich verlangsamte.“

„Maßgebend dabei war der Einsatz der konvergenten Infrastrukturlösung von Hitachi Vantara, um vollständige SARS-Cov-2-Genomsequenzen zu analysieren und zusammenzusetzen. Diese Forschungsergebnisse werden veröffentlicht, um zu den weltweiten Bemühungen von Wissenschaftlern und medizinischem Personal zu einer effektiveren Bekämpfung der Coronakrise beizutragen.“

Boulund fasst zusammen: „In der Vergangenheit war der etwas umständliche Prozess der Datenvorbereitung für die Analyse auf gemeinsam genutzten HPC-Ressourcen nicht gut auf unsere Forschungsanforderungen ausgerichtet. Dank der Unterstützung durch Hitachi Vantara können wir jetzt jederzeit größere Datenmengen hausintern viel schneller analysieren. Gemeinsam mit Hitachi Vantara, VMware und Cisco haben wir unsere IT modernisiert und ein flexibles, robustes und hochautomatisiertes Rechenzentrum aufgebaut. Die größere Leistungsfähigkeit hilft uns, die Wissenschaft voranzubringen und inspiriert unsere Forscher dazu, ein noch besseres Verständnis des menschlichen Körpers zu entwickeln.“

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