Szuperszámítógépek és új technológiák, jelenlegi tesztcsövek az orvosbiológiai kutatásban

A ritka betegségek világnapjával február 28-án egyidejűleg az újság közzétette, hogy ezek a világ népességének 8% -át, Spanyolországban mintegy hárommillió embert érintik, és hogy több mint 90% -uk nem részesül speciális kezelésben. Az ilyen módon hivatkozott orvosi és érintett szövetségek további kutatást igényeltek.

Bár még sok tennivaló van, soha nem kezeljük annyira hatékonyan a patológiákat, mint most. A diagnózis és a kezelés módszereit évszázadok óta finomítják különböző megközelítésekkel, különös tekintettel a drogokra. A technológia korszakában ez a sor egy viszonylag új laboratóriumi eszköz, a szuperszámítás, amelyeket már tesztelnek a Severo Ochoa Molekuláris Biológiai Központban. Beszélünk a számítási biológia vagy a biológiai szimuláció területéről.

A próbaidőn hosszú ideig az emberek voltak. Aztán az állatok; majd a teszteket tányérokra vitték in vitro; és végül elértük in silico, annak megfigyelésének egyik módja, hogy a gyógyszerek hogyan viselkednek például a fehérjékkel szemben anélkül, hogy a végső beteget ki kellene adni, amíg koherens eredményt nem érünk el. Szuperszámítógép orvostudomány.

Meg tudja-e utánozni egy számítógépet, hogyan fog viselkedni egy drog?

Részben, egyre kevesebb hibával, egy számítógép képes utánozni, hogy a gyógyszer hogyan viselkedik egy adott fehérjekészlettel vagy bizonyos szövetekkel szemben. Ez egy fantasztikus megközelítés a valódi viselkedésedhez egy jövőbeli betegnél. Az ember egy nagyon összetett rendszer, de apránként megoldjuk a rejtvényt. Számos vírusos, baktérium- vagy protein-asszociált betegség már megoldódik a szimulációk vagy a renderelés révén.

Az új technológiákat azonban nemcsak a molekuláris szerkezetekben, hanem a molekuláris szerkezetekben is alkalmazzák a kezelés és a beteg életminőségének javítása. Valójában a La Paz Egyetemi Kórház vagy a madridi San Carlos klinika a virtuális valóságot (VR) vezette be terápiájuk során. Eközben a bolygó más részein a kibővített valóságot (AR) használják műveletek vagy számítógéppel tervezett képek tervezésekor a terjesztéshez és a tanításhoz.

A Severo Ochoa Molekuláris Biológiai Központ egyik figyelemreméltó betegsége a Cornelia de Lange szindróma, a. gyűrűinek genetikai megváltoztatása cohesin és az egyik legritkább betegség, amely az érintett személyek számát tekintve létezik. Mi lenne, ha olyan kémiai vegyületet állítunk elő, amely korrigálja a cohesin hibás viselkedését? Ez tovább dolgozik.

A kísérleti kutatások során - ebben az esetben a spanyol tudományban - azonban szembesülünk a problémával hatalmas számú farmakológiai tesztet hajt végre rövid idő alatt. Ehhez az optimális a tesztek elvégzése in silico (egy számítógép belsejében), és lényegesen felgyorsítja a folyamatot.

Megkerestük a Severo Ochoa központot, és erről az ügyről beszéltünk Paulino Gómez-Puertas, a CSIC vezető tudósával. "A számítógépen bevezettek egy drogtervező rendszert - mondja a kutató -, hogy ebben az esetben a cohesinok szerkezetének tanulmányozására törekszünk." A cél? Keressen olyan gyógyszert, amely zavarhatja ezeket a fehérjéket A betegség megállítása.

Szüksége van-e nagyobb teljesítményű számítógépekre a fehérjék viselkedésének szimulálására?

Igen, szükségünk van rájuk. A gépek valóban hasznosak mechanikai feladatokban; A mesterséges intelligenciát és a mélyreható tanulást különféle betegségek, például melanómák vagy áttétek felismerésére használják, nagy sikerrel. A Gómez-Puertas biztosítja, hogy az általuk tervezett virtuális eszköz "nagyon jól megy", de a hagyományos számítógépes rendszerekkel való lassú működése közben. ők hónapos számítástechnika tízezrek vegyületek szimulálására. Nézzük ezt perspektívába két adattal:

  1. Egy közepes méretű fehérje mozgásának kiszámításához körülbelül 100 nanosekundum alatt több napig tart a számítás.
  2. Egy fehérje körülbelül öt-hat másodpercig tart a hajtogatásig.

"Most tízmilliószor lassabban haladunk, mint kellene" - mondja a tudós. De van remény. Paulino szerint "öt vagy tíz évvel ezelőtt egy mikrosekundum szimulálása csak egy laboratórium számára volt lehetséges ... most már mindenki megteszi."

Ezért van a Severo Ochoa-ban befektettek az IBM Power System AC922 szuperszámítógépbe két IBM POWER9 processzorral. Ez a csapat a világ egyik legerősebb szuperszámítógépével, a MareNostrum-nal hozza a központba a szuperszámítógépet, amelyet már élveznek a barcelonai szuperszámítógépen. Természetesen, most a cohesins-re orientálva.

Megérthetjük az ilyen típusú berendezést gyorsítóként. Juan de Zuriarrain, az IBM kognitív rendszerek vezetője megerősíti, hogy "a POWER9 rendszert a mesterséges intelligencia területén fejlesztették ki, kifejezetten a kutatók segítése és a gyorsulás érdekében". Ez a hardver képes fel kell gyorsítani a tudósok munkaterhelését 15–60-szor.

Miért fordítják ezeket az erőforrásokat egy ritka betegségre?

A Cornelia de Lange-szindróma alig több mint 100 embert érint Spanyolországban. Alacsonynak tűnik oly sok munka és erőforrás odaítélése, összehasonlítva más betegségekkel. azonban a tudomány nem működik vízmentes rekeszekben. Amit az IBM szuperszámítógép segítségével fedezték fel, számos más területre és kapcsolódó betegségekre is hatással lehet, amelyek léteznek és vannak ilyenek.

"Ezeknek a fehérjéknek nagyon sok befolyása van a rák bizonyos típusaira" - vallja be Paulino. A tenyésztés során sikerült megállítaniuk a rákos sejtek megosztását. Igaz, hogy a termesztés nem ugyanaz, mint az emberekre gyakorolt ​​alkalmazás, ám biztató lépéseket tesznek.

Ahogy Paulino Gómez-Puertas tükrözi: „Még mindig számítógépes szinten vagyunk, akkor tovább kellene lépnünk in vitro végül pedig élőlényekkel való tesztelés ”, de ez az előző munka kiküszöböli a következő fizikai tesztek hatalmas számát és ezenkívül elősegíti bizonyos vegyületek izolált működésének megtanulását. Egy másik előnye: a számítási modellek elkészítése a könyvtárakban ismereteket ad a jövőben más kutatásokhoz felhasználható ismereteiről.

Az ilyen típusú tanulásra példa a genetikai szerkesztési technikák, például a CRISPR / Cas9 használata. Francisco J. M. Mojica és munkatársai 2010-ben rájöttek, hogy az archaea, a baktériumok és a mitokondriumok genomjában sorközben ismétlődések vannak. Ma kutatásai arra irányultak, hogy mi a legszebb molekuláris szerkesztő eszköz, amelyet eddig elértek.

Fold.it, AphaFold, IBM POWER9

Néhány évvel ezelőtt egy virtuális játék alakult ki, amely a fehérje-összehajtás összetett feladatát a nyilvánosság elé terjeszti. A neve Fold.it, és bárki játszhat, akár akár hozzájárulnak valamilyen összecsukható formula felfedezéséhez. Az orvosi kutatások egy ideje nagyító fehérjékkel foglalkoznak, és ezek közé tartozik az AlphaFold, az a mesterséges intelligencia, amely kevés sikerrel képes fehérjéket összecsukni. Egy másik lehetőség az IBM Power System AC922.

A Fold.it, az AphaFold és az IBM POWER9 ugyanolyan eszközök, mint a Petri-csészék, tűk, kémcsövek vagy szoftverek. Velük a kutatók képesek több tudást generál kevesebb idő alatt. Ez a Severo Ochoa Molekuláris Biológiai Központba telepített szuperszámítógép egyik célja.

Az IBM Power System AC922 rendkívül széles kommunikációs buszokkal rendelkezik, és emellett sikerült olyan technológiát konszolidálni, amely különösen gyors. Lefordítva: a párhuzamos számítási kártyák és a processzorok közötti kommunikáció sokkal gyorsabb, mint az előző számítási rendszereknél. Olyan, mintha az abacusról a számológépre mozognánk, és az utóbbi segítségével új orvosi referenciákat keresnénk.

A gyorsabb kiszámítást a laboratóriumban kevesebb kutatási idő alatt átalakítják, hogy ugyanazokat az eredményeket elérjék. Ezért a laboratóriumok szerte a világon fejlettebb berendezésekbe fektetnek be, amelyek kvantumugrást tesznek számunkra a tudás generálása terén.

Mi lenne a következő lépés? Kvantumszámítás Csak néhány héttel ezelőtt az IBM vezette be az első tudományos és kereskedelmi használatra tervezett kvantumszámítási rendszert, a Q System One-t, amely a felhőből elérhető az IBM Q Network akadémiai intézményeihez, kutatólaboratóriumaihoz és tagvállalataihoz. A visszaszámlálás az eredmények megtekintéséhez folyamatban van.