Суперкомпьютер завершает моделирование коронавируса для разработки лекарств и вакцин

Ученые готовят подробную компьютерную модель коронавируса, которая, как они ожидают, даст представление о том, как он заражает организм человека. Они сделали первые шаги, протестировали первые части модели и оптимизировали код на суперкомпьютере Frontera в Техасском университете в Центре Передовых Вычислений в Остине (TACC). Знания, полученные из полной модели, могут помочь исследователям в разработке лекарств и вакцин для борьбы с коронавирусом.

Ромми Амаро возглавляет команду по созданию первой полной полностью атомной модели оболочки коронавируса SARS-COV-2 и ее внешнего компонента. “Если у нас будет хорошая модель того, как внешне выглядит частица и как она ведет себя, мы получим хорошее представление о различных компонентах, которые участвуют в молекулярном распознавании”. Молекулярное распознавание включает взаимодействие вируса с рецепторами ангиотензинпревращающего фермента 2 (АСЕ2) и, возможно, с другими целями в мембране клетки-хозяина. Амаро – профессор химии и биохимии в Калифорнийском университете в Сан-Диего.

Предполагается, что модель коронавируса Амаро будет содержать примерно 200 миллионов атомов, что является непростой задачей, поскольку необходимо рассчитать взаимодействие каждого атома друг с другом. Рабочий процесс его команды использует гибридный или интегративный подход к моделированию.

“Мы пытаемся объединить данные с разным разрешением в единую модель, которую можно смоделировать на объектах высокого вычислительного класса, таких как Frontera”, – сказала Амаро. – “Мы в основном начинаем с отдельных компонентов, где их структура была рассчитана с атомным или почти атомным разрешением. Мы тщательно настраиваем каждый из этих компонентов и переводим их в стабильное состояние. Затем мы можем ввести их в моделирование оболочки с соседними молекулами”.

12-13 марта 2020 года лаборатория Amaro провела моделирование молекулярной динамики на 4000 узлов, или около 250000 процессорных ядер, на Frontera. Это 5-й суперкомпьютер в мире и 1-й академический суперкомпьютер, согласно рейтингу Top500, опубликованном в ноябре 2019 года. Он является высокопроизводительной вычислительной системой высокого класса, поддерживаемый Национальным научным фондом.

“Моделирование такого размера возможно только на машине типа Frontera или на машине, подобной той, что имеется в Министерстве энергетики”, – сказала Амаро. – “Мы сразу же связались с командой Frontera, и они были очень любезны, предоставив нам приоритетный статус для бенчмаркинга и попытки оптимизировать код, чтобы эти симуляции могли работать максимально эффективно, как только система действительно будет запущена и начнет работать”.

“Наверняка интересно работать на одной из этих совершенно новых машин. Наш опыт до сих пор был полезным. Начальные тесты были действительно впечатляющими. Мы собираемся продолжать оптимизировать коды для этих систем, чтобы в конечном итоге мы могли получить еще лучшую производительность. Я бы сказал, что работа с командой на Frontera также была фантастической. Они готовы помочь и были чрезвычайно отзывчивы в это критическое время. Это был очень положительный опыт общения с сотрудниками института”, – сказал Амаро.

“Наша команда гордится тем, что поддерживает это критически важное и новаторское исследование”, – сказал Дэн Станционе, исполнительный директор TACC и главный исследователь проекта суперкомпьютера Frontera. – “Мы будем поддерживать симуляции Амаро и другую важную работу, связанную с пониманием и поиском способа победить эту новую угрозу”.

Работа Амаро с коронавирусом основывается на ее успехе с помощью имитационного моделирования оболочки вируса гриппа на всех атомах. Она заявила, что работа по гриппу будет иметь значительное количество сходств с тем, какую цель они сейчас преследуют – с коронавирусом.

“Это блестящая проверка наших методов и способностей адаптироваться к новым данным и сразу приступить к работе”, – сказала Амаро. “Нам потребовался год или больше, чтобы создать оболочку вируса гриппа и запустить ее на национальных суперкомпьютерах. Для гриппа мы использовали суперкомпьютер Blue Waters, который был в некотором роде предшественником Frontera. Работа с коронавирусом, очевидно, идет гораздо быстрее. Это стало возможным, отчасти из-за работы, которую мы проделали на Blue Waters ранее”.

Амаро сказала: “Это моделирование даст нам новое понимание различных частей коронавируса, которые необходимы для создания лекарств. И вот почему мы так заботимся об этом, потому что если мы сможем понять эти различные особенности, у ученых будет больше шансов разработать новые лекарства, это нужно, чтобы понять, как работают текущие лекарства и потенциальные комбинации лекарств. Информация, которую мы получаем из этих симуляций, многогранна и будет полезна ученым, находящимся на переднем плане борьбы с инфекцией”.