Die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) liefert entscheidende Strukturdaten auf atomarer Ebene für das Zeitalter der KI in der Wissenschaft. Dank ihrer atomar auflösenden Bildgebung können Forschende die wahre Morphologie biologischer und materieller Strukturen mit beispielloser Präzision beobachten. Kürzlich präsentierten Wissenschaftler von Shuimu Biosciences in einem von Volcengine veranstalteten Livestream mit dem Titel „Kryo-EM + KI-Plattform ebnet den Weg für eine neue Ära der KI in der Wissenschaft“ die Prinzipien und Errungenschaften der integrierten intelligenten Rechenplattform SMART. Diese Plattform integriert KI nahtlos mit Kryo-EM-Technologien. Durch die Nutzung der flexiblen Rechenleistung und der sicheren Speicherkapazität von Volcengine ermöglicht SMART eine nahtlose Cloud-Kollaboration über den gesamten Workflow hinweg – von der Datenerfassung bis zur Analyse. Dies steigert die Forschungseffizienz und den Datenwert und schafft so eine solide Datengrundlage für die KI-gestützte wissenschaftliche Forschung.
Live-Panel zwischen Wissenschaftlern von Shuimu Biosciences und Volcengine
Die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), oft als „Rakete“ unter den Forschungsinstrumenten bezeichnet, liefert hochauflösende, naturnahe 3D-Strukturdaten auf atomarer Ebene. Dazu werden Proben schockgefroren und mittels Elektronenstrahlen abgebildet. Die Auswertung dieser Daten durch KI ermöglicht die systematische Gewinnung von Informationen – von Molekülstrukturen bis hin zu komplexen biologischen Funktionen – und beschleunigt so den wissenschaftlichen Entdeckungsprozess und dessen Validierung.
Shuimu Biosciences: KI-gestützte Kryo-EM der nächsten Generation (links); SMART-Software-Oberfläche (rechts)
Ein einzelnes Kryo-EM-Experiment erfordert oft die Verarbeitung von Millionen von Partikelbildern. Die Prozesse der 3D-Rekonstruktion und der atomaren Modellierung stellen extrem hohe Anforderungen an die Rechenleistung und stellen traditionelle Computerarchitekturen vor große Herausforderungen hinsichtlich des Gleichgewichts zwischen Effizienz und Flexibilität. Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwickelte Shuimu Biosciences die SMART-Plattform. Diese bietet eine umfassende Lösung für den gesamten Workflow – von der Datenerfassung und 3D-Rekonstruktion bis hin zur atomaren Modellierung. Durch die enge Zusammenarbeit mit Volcengine entstand eine standardisierte, intelligente „Datenfabrik“ mit Anbindung an die Cloud-Plattform. Diese KI-gestützte Plattform bietet Infrastruktur der nächsten Generation für Innovationen in Bereichen wie der Wirkstoffforschung, der Entwicklung neuer Materialien und anderen Feldern, die auf atomarer Fertigung basieren.
SMART: Eine integrierte Plattform optimiert den Workflow der atomaren Forschung
Als weltweit erstes KI-gestütztes System, das von Shuimu Biosciences eigenständig entwickelt wurde, ermöglicht SMART einen vollständigen Workflow auf atomarer Ebene – von der Datenerfassung über die 3D-Rekonstruktion bis hin zur Modellierung. Die SMART-Cloud-Plattform integriert KI, Hochleistungsrechnen (HPC) und Cloud-Computing-Technologien umfassend. Sie adressiert grundlegend die Schwachstellen der traditionellen Kryo-EM-Datenanalyse, darunter geringe Effizienz, hohe Markteintrittsbarrieren und die Abhängigkeit von externer Software. Die Gesamtarchitektur der Plattform ist unten dargestellt und ermöglicht einen nahtlosen, cloudbasierten Prozess von Rohdaten bis hin zur Atomstruktur.
Schematische Darstellung der SMART-Plattform für Kryo-EM
Ein vollständiger Workflow umfasst fünf intelligente Module für die Untersuchung auf atomarer Ebene:
• TimeSMART: Ermöglicht die intelligente Planung und Verwaltung von Kryo-EM-Ressourcen.
• DataSMART: Gewährleistet die autonome Steuerung des gesamten Datenerfassungsprozesses mithilfe von KI.
• ImageSMART: Überwacht Datenqualität und Erfassungsstatus in Echtzeit.
• CryoSMART: Nutzt Computer-Vision-Algorithmen für die effiziente 3D-Rekonstruktion.
• ModelSMART: Steigert die Effizienz der Atommodellierung um ein Vielfaches durch KI-Modellierung.
Die einzige Aufgabe für die Nutzer besteht darin, die Proteinsequenz an die Plattform zu übermitteln. Anschließend werden umfassende Services bereitgestellt, die die Proteinexpression, die Kryo-Probenpräparation und die finale Strukturbestimmung abdecken. Die Cloud-basierte Einrichtung ermöglicht zudem die globale Interoperabilität von Datenbanken und hilft Kunden, geografische Beschränkungen zu überwinden und Cloud-Computing-Ressourcen für die eigenständige Strukturbestimmung zu nutzen. Die Plattform wird derzeit von über 1.400 Laboren weltweit genutzt und steigert die Forschungseffizienz. Gleichzeitig bietet sie entscheidende Unterstützung für die Sicherheit nationaler biologischer Daten und gewährleistet die eigenständige Kontrolle über Forschungssoftware.
Hocheffiziente und hochauflösende Revolution dank SMART in Zusammenarbeit mit Volcengine
Shuimu Biosciences nutzt seine global skalierte Kryo-EM-Plattform und integriert drei Kernmodule – Proteinexperimente, Kryo-EM-Analyse und KI-gestütztes Computing – zu einem branchenführenden, geschlossenen Workflow, der „Computing – Protein-Nasslabor – Kryo-EM“ umfasst. Darauf aufbauend verwendet die eingeführte Proteindesign-Plattform ProteinSMART hochwertige Struktur-Sequenz-Paardaten, um alle Szenarien vom komplexen Design bis zur gezielten Generierung funktionaler Proteine abzudecken. Experimentell validierte Designs zeigten eine hohe Affinität im 100-nmol-Bereich für schwer auflösbare Zielproteine und verbesserten so die Effizienz der Proteinentwicklung signifikant.
In Zusammenarbeit mit Volcengine und weiteren Partnern hat Shuimu Biosciences eine KI-basierte Dateninfrastruktur für Kryo-EM entwickelt. Dank der leistungsstarken Rechenkapazität der GPU-Instanzen der dritten Generation von Volcengine konnte die SMART-Plattform einen Entwicklungssprung erzielen. Die Architektur ermöglicht eine reaktionsschnelle, elastische Planung im Millisekundenbereich und beschleunigt die Bilderkennung um das Dreifache. Die Plattform konnte so dringende Antigen-Antikörper-Analysen innerhalb von 72 Stunden durchführen und extrem große Projekte mit bis zu 151 TB Datenvolumen bewältigen.
Die Cloud-native Architektur erlaubt Forschern den Zugriff auf die Plattformfunktionen jederzeit und überall, ohne eine eigene Infrastruktur aufbauen zu müssen. Dadurch verkürzt sich der Veröffentlichungszyklus für neue KI-Algorithmen von Tagen auf Minuten. In Kombination mit fein abgestimmten Sicherheitskontrollen und flexiblen Abrechnungsmodellen steigert die Plattform die Recheneffizienz um 40 % und senkt gleichzeitig die Kosten für die Kryo-EM-Datenverarbeitung um über 50 %. Der Analysezyklus für Membranproteine wurde von Jahren auf Monate oder sogar Wochen verkürzt.
Die Zukunft der KI in der Wissenschaft auf Basis einer soliden Dateninfrastruktur gestalten
Am 11. September 2025 fand in Hongkong das Hong Kong International Biotech Forum & Exhibition statt. Ein besonderes Highlight war das Satellitenforum „Daten als Ressource“. Experten verschiedener Branchen diskutierten über hochwertige Daten in den Lebenswissenschaften und betonten, dass Datenstrukturierung und KI-Kompatibilität entscheidend für einen geschlossenen wissenschaftlichen Kreislauf sind.
Daten als Ressource: Kryo-EM schafft eine hochwertige, praxisorientierte Dateninfrastruktur für die Zukunft der Künstlichen Intelligenz
SMART hat sich heute zu einer weltweit führenden, kommerziellen und integrierten Kryo-EM-Computing-Plattform entwickelt. Intern übernimmt sie alle Rechenaufgaben für die acht 300-kV-Hochleistungs-Kryo-Elektronenmikroskope von Shuimu Biosciences. Extern betreut sie über 500 Forschungseinrichtungen und Unternehmen weltweit, wobei rund 50 % der Kunden aus dem Ausland stammen.
Shuimu Biosciences wird die Partnerschaft mit Volcengine fortsetzen und so die KI-gestützte wissenschaftliche Forschung strategisch vorantreiben. KI wird im Bereich der Biowissenschaften eingesetzt, um die Lücke zwischen mikroskopischer Struktur, makroskopischen Eigenschaften und Konstruktion zu schließen. Wir sind überzeugt: Wenn die mikroskopische Welt durch Computer erhellt wird, wird KI in der Wissenschaft nicht nur „schnellere Werkzeuge“, sondern „bessere Wissenschaft“ hervorbringen.
