Abstract The never-ending emergence of SARS-CoV-2 variations of concern (VOCs) has challenged the whole world for pandemic control. In order to develop effective drugs and vaccines, one needs to efficiently simulate SARS-CoV-2 spike receptor binding domain (RBD) mutations and identify high-risk variants. We pretrain a large protein language model with approximately 408 million protein sequences and construct a high-throughput screening for the prediction of binding affinity and antibody escape. As the first work on SARS-CoV-2 RBD mutation simulation, we successfully identify mutations in the RBD regions of 5 VOCs and can screen millions of potential variants in seconds. Our workflow scales to 4096 NPUs with 96.5% scalability and 493.9× speedup in mixed precision computing, while achieving a peak performance of 366.8 PFLOPS (reaching 34.9% theoretical peak) on Pengcheng Cloudbrain-II. Our method paves the way for simulating coronavirus evolution in order to prepare for a future pandemic that will inevitably take place. Our models are released at https://github.com/ZhiweiNiepku/SARS-CoV-2_mutation_simulation to facilitate future related work. Justification We develop a novel multi-constraint variation prediction framework to simulate SARS-CoV-2 RBD mutations, reaching a peak performance of 366.8 PFLOPS with 96.5% scalability and achieving 493.9× speedup. Our method facilitates the prediction and prioritization of future high-risk variants for the early deployment of drugs and vaccines. Performance attributes Overview of the problem Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) has spread rapidly to more than 200 countries or regions since December 2019. Due to its high infectivity, there have been over 645 million confirmed cases, including approximately 6.6 million deaths, reported by the World Health Organization (WHO) as of December 2022 1 . In addition to being a serious threat to human health, COVID-19 has had a catastrophic impact on the global economy.

Investigating fitness interactions in natural populations remains a considerable challenge. We take advantage of the unique population structure of Vibrio parahaemolyticus , a bacterial pathogen of humans and shrimp, to perform a genome-wide screen for coadapted genetic elements. We identified 90 interaction groups involving 1,560 coding genes. 82 of these interaction groups are between accessory genes, many of which have functions related to carbohydrate transport and metabolism. Only 8 interaction groups involve both core and accessory genomes. The largest includes 1,540 SNPs in 82 genes and 338 accessory genome elements, many involved in lateral flagella and cell wall biogenesis. The interactions have a complex hierarchical structure encoding at least four distinct ecological strategies. Preliminary experiments imply that the strategies influence biofilm formation and bacterial growth rate in vitro. One strategy involves a divergent profile in multiple genome regions, implying that strains have irreversibly specialized, while the others involve fewer genes and are more plastic. Our results imply that most genetic alliances are ephemeral but that increasingly complex strategies can evolve and eventually cause speciation.

Bacteria typically have more structured populations than higher eukaryotes, but this difference is surprising given high recombination rates, enormous population sizes and effective geographical dispersal in many bacterial species. We estimated the recombination scaled effective population size Ner in 21 bacterial species and find that it does not correlate with synonymous nucleotide diversity as would be expected under neutral models of evolution. Only two species have estimates substantially over 100, consistent with approximate panmixia, namely Helicobacter pylori and Vibrio parahaemolyticus. Both species are far from demographic equilibrium, with diversity predicted to increase more than 30 fold in V. parahaemolyticus if the current value of Ner were maintained, to values much higher than found in any species. We propose that panmixia is unstable in bacteria, and that persistent environmental species are likely to evolve barriers to genetic exchange, which act to prevent a continuous increase in diversity by enhancing genetic drift. Our results highlight the dynamic nature of bacterial population structures and imply that overall diversity levels found within a species are poor indicators of its size.

Humans have profoundly affected the ocean environment but little is known about anthropogenic effects on the distribution of microbes. Vibrio parahaemolyticus is found in warm coastal waters and causes gastroenteritis in humans and economically significant disease in shrimps. Based on data from 1,103 genomes, we show that V. parahaemolyticus is divided into four diverse populations, VppUS1, VppUS2, VppX and VppAsia. The first two are largely restricted to the US and Northern Europe, while the others are found worldwide, with VppAsia making up the great majority of isolates in the seas around Asia. Patterns of diversity within and between the populations are consistent with them having arisen by progressive divergence via genetic drift during geographical isolation. However, we find that there is substantial overlap in their current distribution. These observations can be reconciled without requiring genetic barriers to exchange between populations if dispersal between oceans has increased dramatically in the recent past. We found that VppAsia isolates from the US have an average of 1.01% more shared ancestry with VppUS1 and VppUS2 isolates than VppAsia isolates from Asia itself. Based on time calibrated trees of divergence within epidemic lineages, we estimate that recombination affects about 0.017% of the genome per year, implying that the genetic mixture has taken place within the last few decades. These results suggest that human activity, such as shipping and aquatic products trade, are responsible for the change of distribution pattern of this marine species.

Vibrio vulnificus is a significant zoonotic pathogen that causes severe vibriosis in humans and fish. The lack of a national annual surveillance program in China has hindered understanding of its epidemiological characteristics and genetic diversity. This study characterized 150 V. vulnificus isolates collected from diverse sources in China during 2012–2023, including seafood, aquaculture water, migratory birds, marine animals, and clinical patients. Most seafood-derived isolates and all 15 clinical isolates harbored the virulence-related gene vcgC and 16S rRNA type B. The isolates exhibited diverse virulence factors (VFs), including flagella, outer membrane components, RTX toxins, and multiple secretion systems. Genes associated with the Type III secretion system were identified in migratory bird isolates, while a unique Type VI secretion system (T6SS1) were identified exclusively within a specific phylogenetic sub-lineage. T6SS1-positive strains demonstrated an increased number of genomic islands (GIs) and VFs compared to T6SS1-negative strains. Enrichment of genes related to secretion systems and biofilm formation likely facilitated the expansion of the T6SS1-positive population. The novel association between T6SS1 and a specific sub-lineage underscores potential ecological and adaptive advantages. These findings provide new insights into the ecological and evolutionary dynamics of V. vulnificus. Isolated Vibrio vulnificus clones from various sources in China showed specific genomic markers linked to human pathogenesis, seafood, and migratory birds, these potentially may confer niche-specific advantages.