爆裂云：一个事件驱动的、基于云的CRISPR-Cas9引导RNA设计工具

该文档介绍了一种名为Crackling Cloud的现代化CRISPR-Cas9引导RNA（gRNA）设计工具。该工具利用云计算技术，特别是事件驱动的无服务器架构，以提高可用性和可扩展性。以下是对该文档的详细总结：

引言

CRISPR-Cas9技术因其简单性和低成本，已成为基因编辑的金标准。其核心在于通过引导RNA（gRNA）引导核酸酶在目标基因组位置引入双链DNA断裂，从而实现精确的基因编辑。然而，选择高质量的gRNA至关重要，这需要高性能算法来评估gRNA在目标和非目标位点的活性。传统的gRNA设计工具通常依赖于高性能计算环境，这对普通用户来说可能不够友好。

Crackling Cloud的创新

Crackling Cloud是对之前发布的Crackling程序的改编，后者以其速度和准确性著称，但需要传统的高性能计算环境。Crackling Cloud通过利用现代无服务器云技术，提供了一种模板化的解决方案，用户可以在自己的云环境中部署该软件。其设计旨在减少闲置时的成本，并在需要时扩展以使用大量资源。

方法

Crackling Cloud采用了AWS（Amazon Web Services）的技术，使用AWS Cloud Development Kit构建，提供了预先安全的、专用的资源。其架构包括API端点、函数计算（Lambda）、数据库表、对象存储（S3）和消息队列（SQS）。这些组件通过事件驱动的方式协同工作，确保在没有任务时不消耗资源。

1. 数据处理流程：当作业提交到数据库后，Lambda函数检查指定的基因组是否可用。如果不可用，则从NCBI基因组数据库中查询并下载。对于大于50MB的基因组，下载过程被分割为多个部分，以提高效率。

2. gRNA提取与评估：使用正则表达式模式从基因序列中提取候选gRNA。每个候选gRNA被添加到两个队列中：一个用于评估目标活性，另一个用于评估非目标活性。Lambda函数分别处理这些任务。

3. 异步设计：提供第三个API端点以获取进度更新。评估完成后，结果写入数据库，可通过API或Web客户端获取。

结果与讨论

Crackling Cloud在速度和准确性方面表现优异。其运行时间从API提交作业到完成评估，包括下载和处理基因组的时间。实验表明，Crackling Cloud能够在69秒内分析1000个gRNA，在3.5分钟内分析10000个gRNA。

结论

Crackling Cloud通过利用云计算的无限扩展性，解决了传统gRNA设计工具在处理大基因组时的局限性。其无服务器模型减少了闲置成本，并简化了软件开发过程。用户可以在自己的云环境中部署该工具，确保数据隐私和安全。

专业术语解释

• CRISPR-Cas9：一种基因编辑技术，利用RNA引导的核酸酶在特定基因组位置引入双链断裂。
• gRNA（引导RNA）：引导CRISPR-Cas9系统到特定基因组位置的RNA序列。
• 无服务器架构：一种云计算模型，用户无需管理服务器，资源按需分配。
• AWS Lambda：一种无服务器计算服务，自动管理计算资源。
• S3（Simple Storage Service）：AWS提供的对象存储服务。
• SQS（Simple Queue Service）：AWS提供的消息队列服务，用于任务调度。

通过这种创新的云架构，Crackling Cloud为gRNA设计提供了一种高效、可扩展且用户友好的解决方案。