Acelerando pesquisa e testes médicos

Visão geral

Desafio

• Acelerar os testes e pesquisas do SARS-CoV-2 (COVID-19) e analisar grandes quantidades de dados com flexibilidade.

Solução

• Implantar uma infraestrutura convergente com alto desempenho e automação para executar análises complexas com mais rapidez.

Resultado

• Aumento do desempenho da análise para processar grandes quantidades de dados de sequenciamento de DNA por semana
• Aceleração da pesquisa médica (incluindo COVID-19), fornecendo insights instantâneos e eliminando atrasos
• Transformação da infraestrutura estática em uma solução de cluster dinâmica e altamente automatizada
• Plataforma de computação interna de alto desempenho ágil e modular

Desafio

Impulsionando a saúde pública com pesquisa médica

O Instituto Karolinska é uma das principais universidades de Medicina do mundo. Sua missão é contribuir para a melhoria da saúde humana e gera mais de 6.000 publicações científicas revisadas por pares por ano. A universidade tem uma posição única na academia, já que a Assembleia do Nobel do Instituto Karolisnka é responsável pela seleção de ganhadores do Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina.

O Centro de Pesquisa Translacional do Microbioma (CTMR) do Departamento de Microbiologia, Tumor e Biologia Celular do Instituto Karolisnka é uma parceria público-privada inovadora com a Ferring Pharmaceuticals. A Ferring Pharmaceuticals é uma empresa biofarmacêutica especializada voltada para a pesquisa, com sede na Suíça e com raízes na Suécia.

Pesquisadores do CTMR estão trabalhando para acelerar a pesquisa em todos os aspectos das doenças crônicas no trato gastrointestinal e para entender melhor o impacto do microbioma na saúde reprodutiva. O objetivo principal é desbloquear o potencial do microbioma humano, a comunidade de organismos microbianos encontrados no sistema digestivo do corpo, para melhorar os tratamentos e prevenir doenças.

Fredrik Boulund, chefe de Bioinformática do CTMR, explica: “Muito do nosso trabalho é analisar amostras de laboratório. Quando olhamos para os dados de sequenciamento de DNA, o primeiro passo é determinar quais micróbios estão na amostra. Analisamos os dados do microbioma multidimensional para entender a composição da comunidade. O segundo passo é analisar o que os micróbios estão fazendo na amostra, o que eles consomem e o que podem produzir. Precisamos estabelecer como as capacidades das comunidades de microbioma nas amostras se relacionam com nossas questões de pesquisa.”

Esta pesquisa é muito intensiva em computação e memória. O CTMR tem acesso a computadores compartilhados de alto desempenho (HPC) por meio da Infraestrutura Nacional Sueca de Computação (SNIC). No entanto, precisava de acesso a uma capacidade de computação mais flexível ao longo do ano para processar grandes lotes de amostras que chegam em pontos de tempo difíceis de prever.

“O uso de recursos de computação externos era uma opção valiosa, mas também limitava nossa produtividade”, diz Boulund. “O fluxo de trabalho geral forneceu um ciclo de feedback lento. Depois de planejar a análise, tivemos que carregar os dados brutos para os sistemas HPC compartilhados e enviar trabalhos de computação para a fila central. Então tivemos que esperar horas ou até dias até que os trabalhos fossem concluídos ou falhassem. À medida que começamos a superar nossas alocações nos sistemas HPC compartilhados, começamos a procurar novas opções para obter insights com mais rapidez e flexibilidade.”

Em 2020, o CTMR também foi encarregado pelo governo sueco de ir além da pesquisa fundamental e criar um novo Centro Nacional de Pandemia (NPC). O NPC foi lançado em conjunto com o Science for Life Laboratory (SciLifeLab), uma organização que apoia as biociências moleculares na Suécia. Fortalecendo a resposta da Suécia à COVID-19, o NPC analisou aproximadamente 45.000 testes de PCR de COVID-19 por semana. Ao longo da pandemia na Suécia, cresceu e se tornou uma das maiores instalações laboratoriais da Suécia para análises do SARS-CoV-2 (COVID-19). Às vezes, o NPC fornecia até um quinto da capacidade total de testes do país.

Uma das principais responsabilidades do NPC é disponibilizar tecnologias avançadas e conhecimentos para pesquisadores que trabalham com a COVID-19. “Quando o trabalho pandêmico começou, de repente tivemos que lidar com muito mais dados”, acrescenta Boulund. “Nossa equipe precisava expandir rapidamente nossa capacidade de analisar dados para que pudéssemos ajudar a avançar na pesquisa do SARS-CoV-2.”

Solução

Fornecendo TI flexível e rápida onde ela é realmente necessária

Vendo a necessidade de recursos de TI mais poderosos, a Hitachi Vantara abordou o CTMR para apoiar a pesquisa e os testes da COVID-19. O CTMR estava executando serviços de TI e trabalhos de análise em dois servidores físicos, em uma configuração muito estática, sem virtualização ou escalabilidade.

A equipe da Hitachi Vantara projetou uma solução de infraestrutura convergente para o CTMR. Em um esforço conjunto, eles implantaram uma solução Hitachi Unified Compute Platform CI em combinação com arrays F370 da Hitachi Virtual Storage Platform. A Hitachi Vantara selecionou os switches da Cisco para garantir um desempenho de rede otimizado.

A solução integra software de computação, armazenamento, rede e gerenciamento e oferece um alto nível de flexibilidade usando a virtualização VMware para ajustar os recursos dinamicamente. Enquanto isso, o software Hitachi Unified Compute Platform Advisor simplifica o gerenciamento de sistemas e automatiza as tarefas de administração. A equipe também pode implantar e usar ferramentas HPC padrão, como o Slurm, para gerenciamento de cluster e agendamento de tarefas em toda a infraestrutura de servidor virtualizado.

A Hitachi Vantara trabalhou com seus parceiros Cisco e VMware para oferecer um empréstimo abrangente ao CTMR para acelerar a implementação. “A Hitachi Vantara, a Cisco e a VMware fizeram uma oferta muito generosa”, comenta Boulund. “Seu envolvimento e flexibilidade comercial nos permitiram aproveitar uma nova e poderosa solução de TI antes mesmo de o financiamento completo ter sido garantido”.

A solução atende às rígidas regras e requisitos da TI central da universidade e está instalada em uma das principais instalações do data center da universidade.

Resultados

Combatendo uma pandemia e gerando insights instantâneos

Graças à Hitachi Vantara, o CTMR estabeleceu uma plataforma HPC interna ágil e modular. Ao gerenciar seus recursos com a virtualização VMware e o Hitachi UCP Advisor, o CTMR conseguiu simplificar a administração do sistema e automatizar as tarefas de implantação e gerenciamento do sistema. A equipe pode reconfigurar seu cluster de forma rápida e fácil ativando e desligando máquinas virtuais para tarefas de computação específicas, conforme necessário.

“Os recursos de automação do Hitachi UCP Advisor nos permitem lançar novas instâncias sob demanda com base em modelos padronizados”, elabora Boulund. “Essa abordagem nos ajuda a adaptar os tamanhos das instâncias às tarefas de processamento, maximizando o desempenho em projetos em curto prazo. Isso significa que podemos ser muito mais inteligentes sobre o uso de recursos e, a longo prazo, responder mais rapidamente às solicitações de nossos cientistas pesquisadores”.

A solução ajuda o CTMR a aproveitar totalmente o sequenciamento de DNA de alto rendimento de última geração, que é capaz de gerar grandes quantidades de dados de sequenciamento semanalmente. “Os benefícios práticos para nossos pesquisadores são substanciais”, confirma Boulund. “Podemos gerar novos insights com tempos de resposta muito mais curtos. No passado, podia levar dias ou até semanas até obtermos os resultados, o que retardava drasticamente a nossa pesquisa”.

“Essencialmente, usamos a solução de infraestrutura convergente da Hitachi Vantara para analisar e montar sequências completas do genoma do SARS-CoV-2. Esta pesquisa será publicada para contribuir com o esforço global de cientistas e equipes médicas para combater a pandemia da COVID-19 de forma mais eficaz.”

Boulund conclui: “No passado, o processo um tanto complicado para preparar dados para análise em recursos de HPC compartilhados não se alinhava bem com nossas necessidades de pesquisa. Graças ao suporte da Hitachi Vantara, agora podemos analisar lotes maiores de dados com muito mais rapidez, internamente e a qualquer momento. Juntamente com a Hitachi Vantara, VMware e Cisco, modernizamos nossa TI e construímos um data center flexível, robusto e altamente automatizado. O aumento do desempenho está nos ajudando a avançar na ciência e inspira nossos pesquisadores a obter uma compreensão ainda mais profunda do corpo humano.”