Uno strumento di supercalcolo per la scoperta rapida di farmaci
L’emergere di strumenti digitali che coinvolgono il calcolo ad alte prestazioni (HPC) e la modellizzazione dei megadati ha aperto la progettazione di farmaci a soggetti non tradizionali del settore sanitario, come le grandi aziende tecnologiche, che stanno mettendo in discussione la nozione che i sistemi biologici siano troppo complessi per essere modellizzati. «Stiamo assistendo a un passaggio da modelli basati sui dati a dati generati perché adatti all’addestramento di modelli», osserva Andrea Beccari, responsabile delle piattaforme di scoperta presso Dompé farmaceutici, sede del progetto. L’obiettivo principale di LIGATE era quello di affermare il ruolo che le risorse di supercalcolo possono svolgere nella scoperta di farmaci, particolarmente cruciale in tempi di crisi sanitarie acute come le pandemie. Il progetto ha sviluppato uno strumento di screening virtuale dei farmaci assistito dall’intelligenza artificiale (IA), adattabile a qualsiasi architettura hardware, che costituisce il nucleo funzionale della piattaforma di scoperta dei farmaci Exscalate. La piattaforma Exscalate permette ai ricercatori di testare una libreria di molecole rispetto a una serie di bersagli, per identificare possibili trattamenti per minacce come la COVID-19. «Inizialmente, saranno vagliati trilioni di molecole virtuali per trovare farmaci antivirali adatti ad ampio spettro. I migliori candidati saranno testati con saggi antivirali e metodi di analisi strutturale», spiega Beccari. Lo strumento LIGATE genera una simulazione 3D delle molecole di interesse, che vengono utilizzate per esplorare tutte le conformazioni molecolari (disposizioni atomiche) possibili all’interno del sito attivo della proteina bersaglio. Lo strumento seleziona le più promettenti in base alle interazioni della molecola con gli aminoacidi della proteina e uno strumento di intelligenza artificiale le classifica in base all’efficacia prevista.
Portabilità e flessibilità
La soluzione LIGATE integra sia componenti open-source che proprietari. I moduli open-source erano indipendenti dal dominio per supportare lo sviluppo dell’intera applicazione e l’implementazione su larga scala, e specifici per le funzioni di simulazione molecolare e screening virtuale. «LIGATE ha beneficiato della flessibilità, dell’efficienza e della scalabilità di un codice orientato alla comunità, integrato da moduli proprietari che ne consentono lo sfruttamento commerciale», aggiunge Beccari. Per sfruttare le imminenti risorse di calcolo a esascala, era fondamentale la compatibilità con diverse architetture hardware, in particolare con le GPU. Ciò è particolarmente vero per le applicazioni di «urgent computing», ovvero quelle che si affidano alla massima potenza di calcolo (spesso utilizzando più supercomputer simultaneamente) per rispondere a minacce critiche, come la pandemia di COVID-19. Ma poiché gran parte dell’hardware chiave è scritto in linguaggi di programmazione proprietari, il team ha dovuto sviluppare un modello di programmazione (utilizzando SYCL, esente da royalty) dei moduli principali, rendendo il software portabile tra schede FPGA, CPU e GPU.
Aumentare l’accuratezza della valutazione dei farmaci
Uno degli obiettivi principali del progetto è stato quello di implementare lo strumento di screening all’interno della piattaforma LEXIS, sostenuta dall’UE e creata per fornire un maggiore accesso a potenti risorse HPC. Utilizzando un’interfaccia web progettata per renderlo ancora più accessibile, lo strumento LIGATE è stato dimostrato all’ultimo EuroHPC Summit, quando ha funzionato simultaneamente sui supercomputer Karolina, LUMI e LEONARDO. «I ricercatori potranno presto utilizzare una rete di risorse computazionali europee per scoprire nuovi farmaci senza avere competenze informatiche avanzate», spiega Beccari, che ha svolto il ruolo di coordinatore del progetto LIGATE. Un progetto precedente, EXSCALATE4CoV, ha utilizzato una versione precedente dello strumento LIGATE per studiare l’idoneità di farmaci riproposti contro la COVID-19, identificando il raloxifene come trattamento promettente. Il farmaco ha poi superato uno studio clinico di fase II. «È sorprendente che durante le simulazioni molecolari la piattaforma abbia trovato anche un nuovo vaccino potenzialmente più sicuro, ora in fase di valutazione preclinica», aggiunge Beccari. Il progetto è stato condotto con il sostegno dell’impresa comune per il calcolo ad alte prestazioni europeo (impresa comune EuroHPC), un’iniziativa istituita per sviluppare un ecosistema di supercalcolo di livello mondiale in Europa.
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