Nuove tecniche d’avanguardia per la simulazione molecolare
Il progetto ERIKLINDAHLERC2007 (Multiscale and distributed computing algorithms for biomolecular simulation and efficient free energy calculations), finanziato dall’UE, ha raggiunto un livello di avanguardia nelle simulazioni biomolecolari, riuscendo ad aumentare le prestazioni di questi strumenti di vari ordini di grandezza e potenziando la precisione delle previsioni. I ricercatori hanno ottenuto progressi significativi prima di tutto con lo sviluppo del software GROMACS(si apre in una nuova finestra) versione 4.6 che permette di gestire vari tipi di biomolecole, come proteine, lipidi e acidi nucleici, e i corrispondenti campi di forza tramite funzionalità specifiche CHARMM27. Il team ha dimostrato prestazioni circa 40 volte maggiori e un miglioramento di dieci volte nella parallelizzazione delle simulazioni; questo codice di simulazione disponibile gratuitamente, inoltre, è cinque volte più veloce degli strumenti più avanzati attualmente disponibili. L’implementazione dei calcoli dell’energia libera basati sul "Bennett Acceptance Ratio" ha permesso l’analisi rapida con migliore precisione anche in ambienti di elaborazione distribuiti e sul cloud. I componenti del progetto, inoltre, sono riusciti ad automatizzare la creazione di dati di input sull’energia libera, mentre le analisi statistiche hanno fornito stime degli errori standard per tutti i calcoli sull’energia libera. Il coronamento del lavoro è stato lo sviluppo di una nuova struttura che permette una "dinamica molecolare adattativa parallela", che combina l’elaborazione distribuita con le simulazioni delle dinamiche molecolari. Questo strumento open-source è disponibile sul sito web Copernicus(si apre in una nuova finestra) e permette di pianificare in modo automatico migliaia di simulazioni strettamente abbinate, mentre l’elaborazione distribuita migliora di vari ordini di grandezza l’efficienza di campionamento. Le simulazioni adattative per i calcoli dell’energia libera e la generazione automatica dei parametri di simulazione per le piccole molecole hanno contribuito a ridurre il numero di simulazioni necessarie permettendo di utilizzare il sistema Copernicus per determinare in poche ore la solvatazione e le energie libere di legame di un gran numero di composti, a un costo di meno di un euro per ogni composto. Questi nuovi strumenti hanno consentito ai ricercatori di eseguire simulazioni di importanti sistemi biologici come i canali ionici regolati e le proteine di membrana. Le importanti scoperte realizzate dal team hanno portato alla pubblicazione su prestigiose riviste di documenti dalle significative implicazioni per la progettazione di nuovi farmaci, come ad esempio lo studio dei canali ionici regolati da ligandi, grazie al quale è stata fatta nuova luce sul meccanismo di modulazione allosterica a doppio sito, che potrebbe rivelarsi utile per lo studio di nuove coppie di medicinali anestetici on/off. Nel complesso, gli strumenti e i risultati dello studio ERIKLINDAHLERC2007 potrebbero migliorare le nostre conoscenze sulle malattie degenerative come il morbo di Creutzfeldt-Jakob e fornire una base razionale su cui fondare lo sviluppo di nuovi farmaci. L’applicazione di queste metodologie potrebbe estendersi anche al di là della biomedicina e trovare applicazione nella scienza dei polimeri e nelle nanotecnologie.
