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Articoli di approfondimento - L'HIV bersaglio dei supercomputer

Un'infrastruttura di supercalcolo di livello mondiale, sviluppata da scienziati finanziati dall'UE, ha permesso di approfondire la ricerca sull'HIV. Essa fornisce la potenza di elaborazione necessaria per studiare i meccanismi molecolari del virus e le sue interazioni con i farmaci.

Economia digitale

Si tratta di ricerca fondamentale. L'AIDS ha ucciso oltre 25 milioni di persone tra il 1981 - quando fu riconosciuto per la prima volta - e il 2005, facendone una delle pandemie più distruttive della storia. La scienza medica ha urgentemente bisogno di trovare nuovi approcci per affrontare il virus, ma la ricerca è molto impegnativa. DEISA ("Distributed European infrastructure for supercomputing applications") ha aiutato i ricercatori a sviluppare simulazioni molecolari del meccanismo dell'HIV. Nel corso di cinque anni e due progetti, DEISA ha collegato in rete i supercomputer più potenti d'Europa e ha sviluppato software per agevolare i ricercatori nell'accedere e utilizzare la loro enorme capacità di elaborazione. Sono inoltre stati sviluppati servizi di supporto per garantire che i ricercatori possano ottenere il massimo beneficio dalle attrezzature disponibili. Nel corso del loro lavoro hanno anche avviato l'iniziativa DECI ("DEISA extreme computing initiative") per sostenere la ricerca scientifica d'avanguardia in Europa, che potrebbe trarre vantaggio dall'enorme potenza di calcolo messa a disposizione da DEISA. I ricercatori del progetto RNAHIV , ad esempio, hanno usato l'infrastruttura per cercare di capire meglio come le molecole farmacologiche si legano all'acido ribonucleico. L'RNA è una delle molecole che costituiscono la base di tutta la vita sul pianeta - insieme all'acido desossiribonucleico (DNA) e le proteine - e controlla la formazione delle proteine. Ma la maggior parte dei farmaci contro l'HIV ha come bersaglio le proteine virali, piuttosto che l'RNA virale. Di conseguenza, essi possono fallire perché il virus sviluppa una resistenza ai farmaci. Attualmente vi è ancora una mancanza di conoscenza su come l'RNA HIV umano interagisce con le proteine cellulari per migliorare la trascrizione virale, un passo importante nella replicazione virale. Tentare di inibire tale interazione potrebbe portare a più promettenti farmaci anti-HIV e avere un impatto importante sul campo della progettazione dei farmaci. Per far fronte a malattie come l'HIV è necessario sviluppare farmaci che si legano a una regione specifica del RNA virale, chiamata regione TAR ("Trans-activating response") Ma il problema è che gli approcci di calcolo standard non sono molto efficaci per prevedere con precisione come e dove le molecole di farmaco si attaccheranno all'RNA. I normali strumenti di progettazione di farmaci ci riescono con fatica. "Ma concentrandosi sulla fisica che regola le interazioni che avvengono quando le molecole si legano le une alle altre, abbiamo ottenuto buoni indizi che potrebbero contribuire allo sviluppo farmaci basati sull'RNA", dice Paolo Carloni, coordinatore del progetto RNAHIV e professore di biofisica computazionale presso la Scuola di ricerca tedesca per le scienze della simulazione, una scuola di specializzazione congiunta della RWTH Università di Aachen e del Centro di ricerca Jülich (FZJ), in Germania. Il progetto RNAHIV è stato avviato nel 2008 e si è concluso nel 2010. Ha riunito ricercatori di tutto il mondo, tra cui il SISSA/ISAS di Trieste in Italia, l'ETH di Zurigo in Svizzera, l'Università di Washington negli Stati Uniti e l'università di Ho Chi Minh City in Vietnam. Nel corso di 24 mesi gli esperti hanno cercato di simulare la dinamica del meccanismo di legame tra l'HIV e l'RNA. Ma studiare queste interazioni a livello informatico è un grosso problema. "Avevamo a che fare con diverse migliaia di atomi e, al fine di effettuare simulazioni, bisognava sapere dove ognuno di essi andava a finire ed essere in grado di seguirne il movimento", spiega il dottor Carloni. "Si tratta di una cosa che richiede molta potenza di calcolo!" Queste simulazioni estremamente complesse sono molto impegnative, ma il dottor Carloni ritiene che questo metodo fornisca una descrizione molto più rigorosa del processo attraverso il quale il farmaco si lega all'RNA. "Nella progettazione di farmaci convenzionale, si riesce soltanto a prevedere dove il farmaco va a legarsi, ma non si sa nulla sul modo in cui la molecola farmaco raggiunge l'RNA e su come vi si aggancia", ha fatto notare. Un nuovo approccio stimolante Il dottor Carloni sottolinea che questa è una ricerca molto utile. "Non solo suggerisce un nuovo modo di progettare farmaci, ma i metodi che abbiamo sviluppato possono essere applicati allo studio di qualsiasi tipo di reazione tra proteine e DNA o tra proteine e RNA. Reazioni di questo tipo avvengono in un enorme numero di processi cellulari." È stato un progetto entusiasmante - sottolinea - perché avvicina davvero la fisica e la medicina per risolvere un problema molto impegnativo. Il loro lavoro è stato svolto in tre fasi. I ricercatori hanno iniziato basandosi sulle loro conoscenze teoriche di biofisica per prevedere come l'RNA e il farmaco avrebbero interagito, e hanno usato tecniche di spettroscopia in fase sperimentale per verificare se le loro previsioni erano esatte. I dati di spettroscopia sono poi stati usati per informare le simulazioni della dinamica molecolare. Il tempo di calcolo fornito da DEISA, finanziato dall'UE, ha giocato un ruolo fondamentale per il successo del progetto RNAHIV. I calcoli del progetto di ricerca RNAHIV sono stati effettuati sul sistema Cray XT4/XT5 presso il Centro per la Scienza IT in Finlandia. Sono state impiegate tre piste indipendenti, che hanno usato ciascuna fino a 256 core di CPU. Sono state investite circa 250.000 ore di CPU sul nucleo delle simulazioni di produzione e l'hardware è stato integrato da supporto software. "Ma DEISA non si è limitato a fornire l'accesso ai supercomputer. Sostenendo progetti quali RNAHIV, DEISA ha anche aperto l'uso di supercomputer per altri progetti legati alla salute umana. E permettendo agli scienziati di un paese in via di sviluppo, come il Vietnam, di partecipare, DEISA ha diffuso i benefici ancora di più", dice il dottor Carloni. "Svolgere attività di ricerca sperimentale è difficile per i nostri collaboratori vietnamiti, ma con i computer possono lavorare in remoto. Nel nostro caso, DEISA ha fornito ai ricercatori vietnamiti una meravigliosa opportunità per entrare nell'entusiasmante campo della progettazione di farmaci RNA e riportarsi a casa la conoscenza." RNAHIV non è stato l'unico progetto di ricerca HIV a beneficiare dell'esperienza e della potenza DEISA. Anche il progetto ViroLab ("Virtual laboratory"), finanziato dall'UE, ha utilizzato DEISA per eseguire simulazioni di dinamica molecolare costose dal punto di vista informatico. Una grande sfida presentata dal virus HIV è la varietà di ceppi associati alla malattia. Alcuni ceppi sono più resistenti a un farmaco, ma più suscettibili a un altro. ViroLab supporta il processo decisionale dei medici che curano pazienti con HIV. Il medico curante inizia con l'analisi della sequenza virale HIV di cui è affetto il paziente. Una volta completata l'analisi, i medici ricevono una selezione di farmaci indicati. ViroLab recupera automaticamente dati da una varietà di fonti; trova le regole di resistenza fornite dai sistemi di interpretazione della resistenza ai farmaci HIV comunemente utilizzati, attraverso i database di classificazione dei farmaci come Rega, HIVdb e ANRS. Al contempo, provengono dagli ospedali partecipanti i dati anonimi dei pazienti, mentre viene estratta la letteratura relativa al particolare ceppo di HIV dalla US National Library of Medicine. Come parte del lavoro ViroLab, il progetto ha inoltre sviluppato e pubblicato uno studio per convalidare il suo strumento BAC (Binding affinity calculator), che aiuta a determinare quali farmaci sarebbero più efficaci e quali più resistente. Utilizzando le simulazioni basate su DEISA, il progetto ViroLab ha acquisito indizi a livello atomico sulle interazioni a livello molecolare tra un ceppo del virus HIV e alcuni farmaci particolari. Questo ha permesso al progetto di sondare come le mutazioni associate alla resistenza interagiscono tra loro e causano cambiamenti nel legame farmacologico. Questo tipo di ricerca potrebbe essere impiegata per valutare le norme esistenti utilizzate per selezionare i farmaci. Ma ancora più promettente è il potenziale impatto del lavoro sulla progettazione dei farmaci futuri. RNAHIV e ViroLab sono solo due progetti nel campo delle scienze della vita che sono stati sostenuti dall'hardware, software, supporto e consulenza di calcolo intensivo forniti da DEISA2. DEISA2 ha ricevuto finanziamenti per ben 10,24 milioni di euro (del bilancio totale di 18,65 milioni di euro) nell'ambito del Settimo programma quadro dell'UE per la ricerca, sottoprogramma "e-Science grid infrastructures". Link utili: - Progetto "Distributed European infrastructure for supercomputing applications" - Record dei dati del progetto DEISA2 su CORDIS - e-Infrastructure programme / projects - Progetto RNAHIV - Progetto ViroLab Articoli correlati: - Collegare i supercomputer per simulare il sole, il clima e il corpo umano - Exhibición de modelos climáticos sobre la pasarela de la supercomputación - Il supercalcolo calma le acque agitate - Supercomputing gets its own superhero - The grid: a new way of doing science - I ricercatori europei impegnati nella fusione faranno ricorso a risorse di supercalcolo - ViroLab to use DEISA infrastructure