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Schnellere Wirkstoffentdeckung gegen das Zika-Virus

Ein Forscherteam hat mithilfe des Hochleistungsrechnens einen bahnbrechenden Ansatz demonstriert, mit dem die Entdeckung neuartiger Wirkstoffe im Maßstab hochskaliert und beschleunigt wird.

Digitale Wirtschaft
Gesundheit

Arzneimittelentwicklung ist ein langwieriger Prozess. Ab der Entdeckung einer Gefahr für die Gesundheit dauert es Jahre, bis ein wirksames Arzneimittel auf dem Markt zur Verfügung steht. Und während dieser Zeit wartet das krankheitsübertragende Virus leider nicht netterweise darauf, dass es von der Pharmaindustrie eingeholt wird, sondern richtet weiterhin verheerende Schäden an der Gesundheit der Menschen an. Ein bahnbrechender Ansatz, den ein an dem Projekt ANTAREX (AutoTuning and Adaptivity appRoach for Energy efficient eXascale HPC systems) arbeitendes Forscherteam erdacht hat, verspricht jedoch, den Weg von der Entdeckung einer Bedrohung der Gesundheit bis zur Verfügbarkeit einer heilenden Behandlung zu verkürzen. Der vom Team verfolgte Ansatz beruht auf Hochleistungsrechnen im Exabereich, eingesetzt im Dienste der Beschleunigung der Wirkstoffentdeckung. Die ANTAREX-Partner konzentrierten sich auf den realen Fall der Zika-Pandemie und es kam ein 10-Petaflop-Marconi Intel Xeon Phi-Supercomputer zum Einsatz, der in der TOP-500-Liste vom November 2018 auf Rang 19 der leistungsfähigsten Computer der Welt eingestuft wurde. Zika-Virus auf einen Blick Gerade in den letzten Jahren hat das Zika-Virus weltweit für Schlagzeilen gesorgt. Der Ausbruch 2015 in Brasilien, der sich rasch auf andere Teile Süd- und Nordamerikas sowie auf andere Regionen der Welt ausbreitete, veranlasste die Weltgesundheitsorganisation dazu, Zika zu einer Notlage im Bereich der öffentlichen Gesundheit zu erklären. Das Virus gibt es jedoch schon viel länger. Erstmals wurde sein Ausbruch 1947 im tropischen Zika-Wald in Uganda dokumentiert, nach dem es benannt ist. Das Virus, das sich hauptsächlich durch Gelbfieber und Tigermücken ausbreitet, kann neurologische Komplikationen wie das Guillain-Barré-Syndrom, Neuropathie und Myelitis bei Erwachsenen und Kindern verursachen. Bei infizierten Schwangere besteht die Gefahr, dass sie Babys mit schweren Defekten wie etwa Mikrozephalie zur Welt bringen. Im Rahmen der Zika-Fallstudie ermittelte das ANTAREX-Team 26 Bindungsstellen in den Kristallstrukturen von fünf Zika-Proteinen: NS5, NS1, NS2B/NS3, NS3 und am Hüllprotein. Insgesamt wurden 1,2 Milliarden Moleküle über Computersimulationen in einer Million Rechen-Threads getestet, die über den Marconi-Supercomputer zur Verfügung stehen. Damit ist es das größte virtuelle Screening-Experiment, das in Hinsicht auf Computer-Threads und die Größe der Verbunddatenbank jemals in Angriff genommen wurde. Modernes Werkzeug für die Wirkstoffentdeckung Im Mittelpunkt des Experiments stand das molekulare Docking, ein Instrument für die Suche nach Wirkstoffkandidaten, dem zunehmend Bedeutung zugemessen wird. Das Team bestimmte die am besten geeignete Stelle des Zika-Proteoms, an die ein Wirkstoff binden kann. Das ultraschnelle molekulare Docking wurde parallel an allen Bindungsstellen durchgeführt und so konnte die beste Konformation an jeder Stelle ermittelt werden. Prognosen zufolge wird sich das in dem Experiment identifizierte beste Molekül an drei von sieben Zika-Proteindomänen, geordnet nach ihrer Multitargetaktivität, binden und diese möglicherweise hemmen: an der NS5-Polymerase- und Methyltransferase und der NS3-Helikase. Ein beschleunigtes Screening im Prozess der Wirkstoffentdeckung ist laut Prof. Christina Silvano, Projektkoordinatorin vom Polytechnikum Mailand, nun möglich. „Geometrisches Docking wurde im Vergleich zu anderen auf dem Markt verfügbaren Lösungen um zwei Größenordnungen beschleunigt“, sagte sie in einem Interview, das Anfang des Jahres auf der Konferenz „High Performance and Embedded Architecture and Compilation“ geführt wurde. „Das war ein sehr wichtiger Erfolg für unsere Anwendung und wir denken, dass dies auch für die Gesellschaft von großer Wichtigkeit ist.“ Bei ANTAREX stand außerdem ein zweites Szenario im Mittelpunkt, bei dem es galt, Verkehrsstaus in intelligenten Städten mit Hilfe eines selbstanpassenden Navigationssystems zu verringern. Das Projekt endete im November 2018. Weitere Informationen finden Sie auf der ANTAREX-Projektwebsite ANTAREX4ZIKA-Projektwebsite

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Italien

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