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Reportaje - Superordenadores contra el VIH

Científicos financiados por la Unión Europea han desarrollado una infraestructura de supercomputación de primer nivel mundial que ha permitido profundizar la investigación sobre el virus de inmunodeficiencia adquirida (VIH). Estas instalaciones poseen la potencia de procesamiento necesaria para estudiar los mecanismos moleculares del virus y sus interacciones con diversos fármacos.

Economía digital

Se trata de investigación vital. El síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) se ha cobrado más de 25 millones de vidas desde 1981 (cuando se descubrió) hasta 2005, lo que lo convierte en una de las pandemias más letales desde que se dispone de registros históricos. La medicina necesita de manera acuciante encontrar soluciones nuevas para combatir el virus, pero la investigación correspondiente es extremadamente compleja. El proyecto DEISA («Red Europea Distribuida para las Aplicaciones de Supercomputación») ayudó a la realización de simulaciones sobre el «modus operandi» molecular del VIH. A lo largo de cinco años y por medio de dos proyectos, DEISA posibilitó la conexión en red entre los superordenadores más potentes de Europa. Además se desarrolló software que facilitó el acceso y el aprovechamiento de la ingente potencia de procesamiento de esta infraestructura. Asimismo, se desarrollaron servicios de apoyo que garantizasen que los investigadores usuarios pudieran sacar el máximo partido a la maquinaria disponible. Cabe destacar también el establecimiento de DECI («Iniciativa de computación extrema de DEISA») con la finalidad de prestar un mayor apoyo en Europa a investigaciones científicas pioneras poniendo a su servicio la enorme potencia de computación de DEISA. El personal investigador del proyecto RNAHIV , por ejemplo, utilizó esta infraestructura para comprender más a fondo la manera en que las moléculas de los fármacos se unen al ácido ribonucleico (ARN), una de las moléculas que constituyen la base de todas las formas de vida sobre el planeta junto al ácido desoxirribonucleico o ADN y las proteínas y que rige la creación de éstas últimas. Pero la mayoría de los fármacos contra el VIH actúan sobre las proteínas víricas, no sobre el ARN del virus. Por consiguiente, pueden ser ineficaces puesto que el virus desarrolla resistencia a estos fármacos. Actualmente se sabe poco sobre cómo aprovecha el ARN del VIH las proteínas celulares humanas para efectuar la transcripción viral, un paso importante en la replicación de los virus. Si se consiguiera inhibir ese paso, podrían obtenerse fármacos contra el VIH previsiblemente más certeros y avances importantes en el campo del diseño farmacológico. Para luchar contra enfermedades como la provocada por el VIH, hay que desarrollar fármacos que se unan a una región específica del ARN del virus, denominada elemento de respuesta a la transactivación (trans-activating response, TAR). Existe no obstante el inconveniente de que los métodos computacionales comunes no permiten predecir con exactitud cómo y dónde las moléculas del fármaco se adherirán al ARN. Las herramientas empleadas habitualmente para el diseño de los medicamentos también son insuficientes en este aspecto. «Pero centrándonos en los mecanismos físicos que rigen las interacciones que se producen cuando las moléculas se unen, realizamos descubrimientos interesantes que podrían ser de ayuda para desarrollar fármacos que actúen en el ARN», indicó Paolo Carloni, coordinador del proyecto RNAHIV y profesor de biofísica informática en la «Escuela Alemana de Investigación en Ciencias de la Simulación», escuela de postgrado compartida entre la Universidad de Aquisgrán RWTH y el Centro de Investigación de Jülich (FZJ), ambos en Alemania. El proyecto RNAHIV comenzó en 2008 y terminó en 2010. Contó con la participación de investigadores de todo el mundo, entre ellos del SISSA/ISAS de Trieste (Italia), el ETH de Zúrich (Suiza), la Universidad de Washington (Estados Unidos) y la Universidad de Ciudad Ho Chi Minh (Vietnam). En esos 24 meses, los investigadores trabajaron en simular el mecanismo de unión entre el VIH y el ARN. Pero el estudio de estas interacciones entraña una gran dificultad en el aspecto informático. «Debíamos trabajar con varios miles de átomos, y para efectuar simulaciones hay que conocer hacia dónde va encaminado cada uno y ser capaz de seguir su trayectoria», explicó el Dr. Carloni. «Para eso hace falta una potencia informática ingente.» Estas simulaciones, de extrema complejidad, plantean un reto descomunal, pero el Dr. Carloni opina que este método proporciona una descripción mucho más rigurosa del proceso por el cual el fármaco se une al ARN. «Con el diseño convencional de fármacos sólo se consigue predecir el punto de unión del medicamento, no se averigua nada sobre el modo por el que la molécula del fármaco se desplaza hasta el ARN y se adhiere a él», puntualizó. Un método nuevo y apasionante El Dr. Carloni destaca que se trata de una investigación de gran utilidad. «No sólo se propone una manera nueva de diseñar medicamentos; los métodos que hemos desarrollado son aplicables al estudio de cualquier clase de reacción entre proteínas y ADN o ARN. Estos tipos de reacciones se producen en un sinnúmero de procesos celulares.» Además destaca lo apasionante del proyecto, al basarse en una verdadera fusión de física y medicina para solucionar un problema de gran dificultad. Las tareas se realizaron conforme a un proceso dividido en tres etapas. Partiendo de sus conocimientos teóricos de biofísica, los investigadores predijeron la interacción probable entre el ARN y el medicamento, para después comprobarla experimentalmente empleando técnicas de espectroscopia. Con los datos resultantes se efectuaron simulaciones de las dinámicas moleculares. El tiempo de computación concedido por DEISA, red financiada por la UE, fue determinante para que el proyecto RNAHIV llegara a buen puerto. Los cálculos informáticos del mismo se llevaron a cabo en el sistema Cray XT4/XT4, alojado en el «Centro de Tecnología de la Información para la Ciencia» de Finlandia. Se efectuaron en tres tandas independientes, en cada una de las cuales se ocuparon hasta 256 núcleos de la unidad central de procesamiento (UCP). En las simulaciones de producción se invirtieron cerca de 250 000 horas y el hardware se complementó con soporte de software. «Pero DEISA no se ha limitado a prestar acceso a superordenadores. Apoyando proyectos como RNAHIV, DEISA también permitió el uso de los superordenadores a otros proyectos relacionados con la salud humana. Y extendió aún más las ventajas de su empleo al posibilitar la participación de científicos de un país en vías de desarrollo como Vietnam», añadió Carloni. «Para nuestros colaboradores vietnamitas es difícil realizar investigación experimental, pero por medio de ordenadores pueden trabajar a distancia. Para estos investigadores de Vietnam, DEISA supuso una oportunidad fabulosa de adentrarse en el apasionante campo del diseño de fármacos dirigidos al ARN, y también de obtener unos conocimientos de utilidad que podrán difundir en su país.» RNAHIV no fue el único proyecto de investigación sobre el VIH en beneficiarse de la pericia y la capacidad ofrecidas por DEISA. Otra iniciativa financiada con fondos europeos llamada ViroLab («Laboratorio virtual») se valió de su infraestructura para ejecutar simulaciones de dinámicas moleculares que resultan muy caras en términos informáticos. Una dificultad del estudio del VIH es la variedad de cepas que pueden provocar la enfermedad. Unas cepas son más resistentes a un fármaco y más vulnerables a otro. ViroLab pretende facilitar las decisiones que deben tomar aquellos médicos que tratan a pacientes portadores del VIH. En primer lugar, el facultativo analiza la secuencia vírica del VIH de la que está infectado el paciente. Una vez completado el análisis, el médico obtiene un listado de fármacos pertinentes para el caso. ViroLab extrae sus datos de diversas fuentes de manera automática. Localiza las reglas de resistencia proporcionadas por los sistemas de interpretación de la resistencia farmacológica del VIH que se emplean habitualmente por medio de bases de datos para la clasificación de los fármacos como Rega, HIVdb y ANRS. Por otra parte se obtienen datos de pacientes anónimos proporcionados por los hospitales colaboradores y se extrae la bibliografía existente sobre la cepa en cuestión de la Biblioteca Nacional de Medicina de los Estados Unidos. Como parte de la labor de ViroLab, los responsables del proyecto también realizaron y publicaron un estudio en el que validaban su herramienta BAC («binding affinity calculator», o calculador de la afinidad para enlaces), que ayuda a determinar los medicamentos potencialmente más eficaces y ante cuáles ofrecerá el virus más resistencia. Gracias a las simulaciones habilitadas por DEISA, el equipo de ViroLab obtuvo un conocimiento a escala atómica de las interacciones moleculares entre una cepa del VIH y fármacos concretos. De este modo se pudo explorar cómo interactúan las mutaciones asociadas a resistencia y cómo motivan cambios en el enlazado de los fármacos. Esta clase de investigación podría aprovecharse para evaluar las reglas aplicadas en la actualidad a la hora de seleccionar medicación. Pero lo más esperanzador son las previsibles repercusiones de la labor realizada en futuros trabajos de diseño farmacológico. RNAHIV y ViroLab son sólo dos de los proyectos enmarcados en las ciencias de la vida que se beneficiaron del equipo, el software, el apoyo y los conocimientos técnicos facilitados por DEISA2. DEISA2 recibió una financiación de 10,24 millones de euros (siendo su presupuesto total de 18,65 millones de euros) a través del subprograma «Infraestructuras de grid para ciencia electrónica» (e-Science grid infrastructures) del Séptimo Programa Marco de la UE. Enlaces útiles: - DEISA - registro de datos del proyecto DEISA2 en CORDIS - programas y proyectos de infraestructuras electrónicas - proyecto RNAHIV - proyecto ViroLab Artículos relacionados: - «Interconexión de superordenadores para simular el Sol, el clima y el cuerpo humano» - «Exhibición de modelos climáticos sobre la pasarela de la supercomputación» - «La supercomputación calma aguas revueltas» - «El nuevo héroe de la supercomputación» - «La grid: una forma nueva de hacer ciencia» - Los investigadores europeos de la fusión nuclear utilizarán recursos de supercomputación de alto nivel - ViroLab utilizará la infraestructura de DEISA