Proteinlerin çoklu dizi hizalaması için donanım hızlandırması

Uzun süredir aktif bir araştırma alanı olan Çoklu Dizi Hizalaması (MSA), biyoinformatik alanında kullanılan sayısal hesaplamaya dayalı bir yöntemdir. Proteinler için MSA, üç veya daha fazla amino asit dizisinin hizalanması işlemi anlamına gelmektedir. Bu işlemin çıktıları; homoloji aramaları, filogenetik analiz, protein yapısı tahmini gibi biyoinformatiğin başka alanları için girdi bilgilerini oluşturur. MSA için literatürdeki çözümler genel hatlarıyla üç gruba ayrılır: Doğrudan yaklaşım, gelişimsel yaklaşımlar ve yinelemeli yaklaşımlar. H4MSA, çok amaçlı eniyileme ve bir tür genetik algoritma içeren, mevcut yinelemeli yaklaşımlardan biridir. Bu çalışmada, MSA için bir donanım hızlandırması önerilmiş ve test algoritması olarak H4MSA kullanılmıştır. Hızlandırma, MSA uygulamalarında yaygın bir puanlama çeşidi olan ve ayrıca H4MSA algoritmasında bir amaç fonksiyonu olarak da kullanılan, ağırlıklı çiftler toplamı skoru (WSPS) hesabı için donanımsal bir yapı tasarlanarak geçekleştirilmiştir. Tüm uygulama, bir SOC (tek yonga üzerinde sistem) cihazı içine kurulmuş olup; cihazın FPGA bölümünde donanım bloğu inşa edilmiş ve test algoritması cihazın merkezi işlem biriminde (CPU) çalıştırılmıştır. Tasarımın testi için iyi bilinen bir veri tabanından 12 farklı dizi seti kullanılmış olup, sonuçlar donanımsal hızlandırılmış versiyonun, CPU versiyonuna oranla 1.7x ile 20x arasında hız artırımlarına ulaştığını göstermiştir.