Skip to main content

Article Category

Story

Article available in the folowing languages:

Najważniejsze wiadomości - Superkomputery biorą na celownik wirus HIV

Dzięki ultra nowoczesnej infrastrukturze komputerowej, stworzonej przez naukowców finansowanych ze środków UE, możliwe było przeprowadzenie nowatorskich badań nad wirusem HIV. Powyższa infrastruktura zapewnia moc obliczeniową niezbędną do badania mechaniki cząsteczkowej wirusa oraz jego interakcji z lekami.

Gospodarka cyfrowa

Są to badania o bardzo dużym znaczeniu. Na AIDS zmarło ponad 25 milionów osób (od roku 1981, kiedy po raz pierwszy zdiagnozowano tę chorobę, do roku 2005), czyniąc z niej jedną z najbardziej niszczycielskich pandemii w historii ludzkości. Medycyna musi odnaleźć nowe sposoby walki z wirusem, jednak badania nad tym zagadnieniem stanowią duże wyzwanie. W ramach projektu "Rozproszona infrastruktura europejska do zastosowań superkomputerowych" ('Distributed European infrastructure for supercomputing applications' - DEISA) wspierano naukowców opracowujących cząsteczkowe symulacje mechaniki wirusa HIV. W ciągu pięciu lat, pod egidą dwóch projektów, DEISA pozwoliła połączyć w ramach wspólnej sieci najpotężniejsze europejskie superkomputery, a także stworzyć oprogramowanie ułatwiające naukowcom uzyskanie dostępu do ogromnej mocy obliczeniowej i korzystanie z niej. Opracowano ponadto usługi wspierające, gwarantujące badaczom możliwie najlepsze wykorzystanie dostępnych urządzeń. Zakres prowadzonych prac obejmował utworzenie "inicjatywy na rzecz obliczeń ekstremalnych DEISA" ('DEISA extreme computing initiative' - DECI), pozwalającej wspierać najbardziej nowatorskie, europejskie badania naukowe; badania czerpiące korzyści z ogromnej mocy obliczeniowej udostępnionej dzięki projektowi DEISA. Przykładowo, naukowcy uczestniczący w projekcie RNAHIV wykorzystali infrastrukturę DEISA w celu lepszego zrozumienia sposobów wiązania się cząsteczek leków z kwasem rybonukleinowym. RNA, obok kwasu deoksyrybonukleinowego oraz białek, stanowi jeden z budulców życia na Ziemi i steruje procesem wytwarzania białek. Jednak większość leków przeciwko HIV zwalcza białka wirusowe, a nie wirusowe RNA. W efekcie leki te mogą okazać się nieskuteczne, gdyż wirus może się na nie uodpornić. W chwili obecnej wciąż zbyt mało wiemy na temat interakcji zachodzących pomiędzy RNA wirusa HIV a ludzkimi białkami komórkowymi, wzmacniającymi transkrypcję wirusa, co stanowi ważny element jego replikacji. Zahamowanie tego typu oddziaływań mogłoby doprowadzić do opracowania bardziej obiecujących leków przeciwko HIV oraz mieć znaczący wpływ na proces tworzenia leków. Stawienie czoła wirusom takim jak HIV wymaga opracowania leków, które wiążą się z konkretnym fragmentem wirusowego RNA, zwanym obszarem odpowiedzi trans-aktywacyjnej ('trans-activating response' - TAR). Jednakże standardowe podejścia obliczeniowe nie pozwalają wystarczająco dokładnie przewidywać w jaki sposób oraz w którym obszarze cząsteczki leku wiążą się z RNA. Powyższy cel jest trudny do zrealizowania w oparciu o tradycyjne metody opracowywania leków. 'Jednak poprzez skupienie się na fizyce rządzącej oddziaływaniami zachodzącymi podczas wiązania się cząsteczek zdobyliśmy cenną wiedzę, która może pomóc w opracowywaniu leków bazujących na RNA', mówi Paolo Carloni, koordynator projektu RNAHIV oraz profesor biofizyki obliczeniowej w Niemieckiej Szkole Badawczej w zakresie Nauk Symulacyjnych ('German Research School for Simulation Sciences'), będącej wspólnym centrum kształcenia podyplomowego, utworzonym przez Uniwersytet RWTH Aachen oraz Forschungszentrum Jülich (FZJ) w Niemczech. Projekt RNAHIV rozpoczęto w 2008 roku, natomiast ukończono go w roku 2010. W ramach projektu zgromadzono naukowców z całego świata, w tym z SISSA/ISAS w Trieście we Włoszech, ETH Zurich w Szwajcarii, University of Washington w USA oraz University of Ho Chi Minh City w Wietnamie. Podczas 24 miesięcy trwania projektu uczestniczący w nim eksperci podjęli próby przeprowadzenia symulacji dynamiki mechanizmów wiązania, zachodzących pomiędzy HIV i RNA. Badanie powyższych oddziaływań stanowi znaczne wyzwanie obliczeniowe. 'Mieliśmy do czynienia z kilkoma tysiącami atomów, a przeprowadzenie symulacji wymagało wiedzy na temat docelowej lokalizacji każdego z atomów oraz na temat ich przemieszczania się', tłumaczy Dr Carloni. 'Wymaga to ogromnej mocy obliczeniowej!'. Powyższe, bardzo złożone symulacje stanowią poważne wyzwanie, jednak Dr Carloni wierzy, że metoda zastosowana przez uczestników projektu znacznie lepiej opisuje proces wiązania się leków z RNA. 'W przypadku klasycznych metod opracowywania leków możliwe jest jedynie przewidzenie obszaru, w którym lek ulega wiązaniu, jednak metody te nie pozwalają zdobyć nowej wiedzy na temat ścieżki, którą podążają cząsteczki leków by dotrzeć do RNA, ani na temat sposobu przyłączania się tych cząsteczek do RNA', zauważa Dr Carloni. Ekscytujące nowe podejście Dr Carloni podkreśla, że powyższe badania są bardzo przydatne. 'Nie tylko sugerują nowe sposoby opracowywania leków, ale także mogą być wykorzystywane do badania dowolnych oddziaływań pomiędzy białkami i DNA lub pomiędzy białkami i RNA. Reakcje tego typu zachodzą w obrębie ogromnej liczby procesów komórkowych.' Dr Carloni zaznacza również, że projekt był bardzo ekscytujący, gdyż pozwolił połączyć fizykę i medycynę, w celu rozwiązania bardzo ambitnego problemu. Prace projektowe miały trzyetapowy charakter. Na początku naukowcy oparli się na posiadanej przez siebie wiedzy teoretycznej z dziedziny biofizyki, w celu przewidzenia w jaki sposób lek i RNA będą na siebie oddziaływać, natomiast w fazie doświadczalnej zastosowali techniki z zakresu spektroskopii, w celu sprawdzenia poprawności przewidywań. Dane pozyskane dzięki spektroskopii wykorzystano następnie w symulacjach dynamiki cząsteczkowej. Czas obliczeniowy, zapewniony przez finansowaną ze środków UE inicjatywę DEISA, odegrał kluczową rolę w sukcesie projektu RNAHIV. Obliczenia prowadzone w ramach projektu badawczego RNAHIV przeprowadzono w oparciu o system Cray XT4/XT5, zlokalizowany w Informatycznym Centrum Naukowym ('IT Centre for Science') w Finlandii. Podczas projektu przeprowadzono trzy niezależne uruchomienia symulacji, w każdym z nich wykorzystując do 256 rdzeni procesora. W symulacjach produkcyjnych wykorzystano około 250 000 godzin pracy procesora, a odpowiednio dobranym urządzeniom towarzyszyło wsparcie aplikacyjne. 'DEISA zapewniła więcej niż tylko dostęp do superkomputerów. Wspierając projekty pokroju RNAHIV, inicjatywa DEISA otworzyła dostęp do superkomputerów również dla innych projektów związanych z ludzkim zdrowiem. Natomiast umożliwienie uczestnictwa krajom rozwijającym się, takim jak Wietnam, pozwoliło jeszcze bardziej poszerzyć zakres korzyści płynących z projektu DEISA', mówi Dr Carloni. 'Prowadzenie badań doświadczalnych jest dla naszych wietnamskich współpracowników dużym wyzwaniem, jednak dzięki komputerom mogą oni pracować zdalnie. W tym przypadku inicjatywa DEISA stanowiła dla wietnamskich badaczy doskonałą okazję do wzięcia udziału w ekscytujących pracach w zakresie projektowania leków bazujących na RNA, a następnie wykorzystanie nowo nabytej wiedzy w kraju ojczystym.' RNAHIV nie jest jedynym projektem dotyczącym HIV, który czerpał korzyści z wiedzy i możliwości oferowanych przez inicjatywę DEISA. W finansowanym przez UE projekcie "Wirtualne laboratorium" ('Virtual laboratory' - ViroLab) również wykorzystano infrastrukturę DEISA do prowadzenia wymagających obliczeniowo symulacji dynamiki cząsteczkowej. W przypadku wirusa HIV dużym wyzwaniem jest mnogość szczepów. Niektóre szczepy są odporne na działanie danego leku, a jednocześnie bardziej podatne na działanie innego. Projekt ViroLab ma na celu wspieranie procesu podejmowania decyzji przez lekarzy podczas leczenia pacjentów zarażonych wirusem HIV. Lekarz prowadzący danego pacjenta rozpoczyna leczenie od analizy sekwencji wirusa HIV Po ukończeniu analizy lekarze otrzymują zestaw odpowiednich leków. System ViroLab automatycznie pobiera dane z szeregu różnych źródeł. Przeszukuje on reguły odporności, udostępniane przez powszechnie stosowane systemy interpretacji odporności na wirus HIV, oparte na bazach danych zawierających ranking leków, takich jak Rega, HIVdb oraz ANRS. Jednocześnie do systemu docierają anonimowe dane na temat pacjenta, pochodzące ze szpitali uczestniczących w projekcie, a z Narodowej Biblioteki Medycyny Stanów Zjednoczonych ('US National Library of Medicine') pobierana jest literatura na temat danego szczepu wirusa HIV. Elementem projektu ViroLab było również opracowanie i opublikowanie badania dotyczącego "kalkulatora prawdopodobieństwa powstawania wiązań" ('Binding affinity calculator' (BAC), który pomaga ocenić skuteczność i odporność poszczególnych leków. Dzięki prowadzeniu symulacji w oparciu o infrastrukturę DEISA, w ramach projektu ViroLab udało się poszerzyć wiedzę na poziomie atomowym na temat oddziaływań międzycząsteczkowych zachodzących pomiędzy wirusem HIV a poszczególnymi lekami. Powyższa wiedza pomogła uczestnikom projektu zbadać wzajemne oddziaływania zachodzące pomiędzy mutacjami wynikającymi z odporności, powodującymi zmiany w wiązaniu leków. Badania tego typu mogą zostać wykorzystane do dokonania oceny obowiązujących obecnie zasad doboru leków. Jednak jeszcze bardziej obiecujący wydaje się być potencjalny wpływ powyższych prac na opracowywanie leków w przyszłości. RNAHIV oraz ViroLab to tylko dwa projekty z zakresu nauk przyrodniczych, w których realizacji pomogła infrastruktura superkomputerowa, oprogramowanie, wsparcie oraz ekspertyza oferowane przez DEISA2. Projekt DEISA2 uzyskał wsparcie finansowe w wysokości 10,24 milionów euro (całkowity budżet projektu wyniósł 18,65 milionów euro) w ramach podprogramu "systemy gridowe e-nauki" ('e-Science grid infrastructures'), będącego częścią Siódmego Programu Ramowego UE. Użyteczne odnośniki: - "Rozproszona infrastruktura europejska do zastosowań superkomputerowych" - 'Distributed European infrastructure for supercomputing applications' - informacje na temat projektu DEISA2 w bazie danych CORDIS - program / projekty na temat e-Infrastruktur - projekt RNAHIV - projekt ViroLab Odnośne publikacje: - "Łączenie superkomputerów w celu prowadzenia symulacji słońca, klimatu oraz organizmów ludzkich" - 'Linking supercomputers to simulate the sun, the climate and the human body' - "Modele klimatyczne na wybiegu superkomputerów" - 'Climate models run supercomputer catwalk' - "Spokojniejsze wody dzięki superkomputerom" - 'Supercomputing calms troubled waters' - "Superkomputery mają swojego własnego superbohatera" - 'Supercomputing gets its own superhero' - Grid: nowy sposób prowadzenia badań naukowych" - 'The grid: a new way of doing science' - "Europejscy naukowcy badający syntezę uzyskują dostęp do najlepszych superkomputerów" - 'Europe's fusion researchers to tap into top supercomputing resources' - "ViroLab będzie korzystał z infrastruktury DEISA" - 'ViroLab to use DEISA infrastructure'