GenSLMs: Genome-scale language models reveal SARS-CoV-2 evolutionary dynamics

基因组 比例(比率) 计算机科学 跟踪(教育) 2019年冠状病毒病(COVID-19) 进化动力学 严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2) 路径(计算) 动力学(音乐) 计算生物学 生物 基因 遗传学 地理 程序设计语言 物理 传染病(医学专业) 人口 教育学 病理 社会学 心理学 医学 人口学 地图学 疾病 声学
作者
Maxim Zvyagin,Alexander Brace,Kyle Hippe,Yuntian Deng,Bin Zhang,Cindy Orozco Bohorquez,Austin Clyde,Bharat Kale,Danilo Perez-Rivera,Heng Ma,Carla M. Mann,Michael Irvin,Defne G. Ozgulbas,Natalia Vassilieva,J. Gregory Pauloski,Logan Ward,Valérie Hayot-Sasson,Murali Emani,Sam Foreman,Zhen Xie
出处
期刊:International Journal of High Performance Computing Applications [SAGE Publishing]
卷期号:37 (6): 683-705 被引量:79
标识
DOI:10.1177/10943420231201154
摘要

We seek to transform how new and emergent variants of pandemic-causing viruses, specifically SARS-CoV-2, are identified and classified. By adapting large language models (LLMs) for genomic data, we build genome-scale language models (GenSLMs) which can learn the evolutionary landscape of SARS-CoV-2 genomes. By pre-training on over 110 million prokaryotic gene sequences and fine-tuning a SARS-CoV-2-specific model on 1.5 million genomes, we show that GenSLMs can accurately and rapidly identify variants of concern. Thus, to our knowledge, GenSLMs represents one of the first whole-genome scale foundation models which can generalize to other prediction tasks. We demonstrate scaling of GenSLMs on GPU-based supercomputers and AI-hardware accelerators utilizing 1.63 Zettaflops in training runs with a sustained performance of 121 PFLOPS in mixed precision and peak of 850 PFLOPS. We present initial scientific insights from examining GenSLMs in tracking evolutionary dynamics of SARS-CoV-2, paving the path to realizing this on large biological data.
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