太平洋西北国家实验室的梅利莎·费勒 在生物系统的示例超图的这一部分中，彩色线条代表基因，并环绕实验条件(黑色圆圈)，其中基因是重要的
黑圈越大，那组实验条件越多
信用:艾米莉·珀文| PNNL 科学家们正在努力跟上新冠肺炎的步伐，创造新的工具来弄清楚新型冠状病毒是如何工作的
对于太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员来说，理解病毒感染是一个数学问题，而不是纯粹的分子分析
他们正在使用一种叫做超图的先进数学工具来识别人类细胞对包括新型冠状病毒在内的病毒感染的反应
参与这种反应的关键蛋白质可能是开发治疗新冠肺炎的药物的目标
PNNL数学家艾米莉·珀文和计算生物学家杰森·麦克德莫特最近在计算机器协会的知识发现和数据挖掘特别兴趣小组上展示了他们的工作，这是一个关于数据挖掘、数据科学和分析的年度会议
病毒感染的超图 在一个关键步骤中，该团队用一种类似病毒的数据测试了这种新方法，这种冠状病毒导致严重急性呼吸综合征(SARS)
该病毒在2003年席卷全球时感染了8000多人
PNNL团队发现，新方法的结果与之前收集的关于该病毒的数据相符
利用超图，研究小组确定并排列了几个基因的活性，这些基因现在被认为对导致SARS-1爆发的病毒的活性很重要
“我们的工作独立地鉴定了已知对非典活动重要的相同基因
麦克德莫特说:“在将我们的工作应用于导致新冠肺炎的病毒之前，这是一个重要的步骤。”
现在，PNNL团队正在将这项新技术应用于当前的病毒，使用超图对活跃在新冠肺炎的数百个基因中的许多基因进行排序和排序
在过去的两年里，珀文和麦克德莫特一直在使用超图来探索人类细胞对病毒感染的反应
他们研究了PNNL生物学家卡特琳娜·沃特斯收集的数据，十年来，她一直在跟踪感染流感、寨卡病毒、埃博拉病毒和冠状病毒的人类细胞的基因表达、蛋白质表达和分子变化
为了将超图应用于这一大数据集，研究人员首先必须找出如何识别蛋白质组，从而建立一个有意义的超图
今年早些时候，在冠状病毒大流行爆发的同时，该团队正在应对这一挑战
从图到超图 与珀文的合作为麦克德莫特提供了一种新的工具，他多年来一直使用基于图形的数学技术来分析细胞中基因、蛋白质和信号分子之间的联系
他和他的同事一次识别两个分子之间的关系
然后，他们对许多独立交互之间的联系进行分类
这些联系很快就纠缠成复杂的图形，代表维持细胞功能的分子网络
研究人员分析了这些图表的结构和形状，寻找有意义的模式来指示具有关键作用的分子成分
中心性，或者当一个分子与其他分子有许多联系时，是一种模式
图形的整个结构是另一种有意义的模式
一些中央连接就像桥梁一样，让信息在网络的不同部分之间流动
参与这些“中间”连接的基因或蛋白质可能保持整个细胞正常运转
超图代表了一个潜在的飞跃
超图显示的不是单个组件之间的联系，而是各组事物之间的关系
由于生物网络通过分子组运作，科学家认为超图可以比标准图更真实地表示它们的结构
科学家已经使用超图来表示社会群体和计算机网络基础设施，但是它们的计算复杂性使得它们成为研究由实验数据产生的大规模生物网络的不寻常的技术
在PNNL开发的开源超图软件工具HyperNetX，使得不同学科的研究人员更容易进行这种分析
但是将这项技术应用于各种领域的数据仍然需要一些修补
珀文说:“既然有这么多方法可以从生物数据中构建超图，生物学家可能需要一位计算数学家来做这件事。”
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