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Cientistas Toque a Mais Poderosa do Mundo dos Computadores na Corrida para Entender e Parar o Coronavírus

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No O Guia do Mochileiro da Galáxia por Douglas Adams, o arrogante supercomputador Deep Pensamento é perguntado se ele pode encontrar a resposta para a pergunta definitiva a respeito da vida, do universo e tudo mais. Ele responde que, sim, ele pode fazer isso, mas é complicado e ele vai ter que pensar sobre isso. Quando perguntado quanto tempo vai levar ele responde, “Sete e meio milhões de anos. Eu disse a você que eu teria que pensar sobre isso.”

Vida Real supercomputadores estão sendo perguntou um pouco menos amplo de perguntas, mas rasteiras, no entanto: como lidar com o Covid-19 pandemia. Eles estão sendo usados em muitas facetas de responder à doença, inclusive para prever a propagação do vírus, para otimizar o rastreamento de contatos, para alocar recursos e fornecer as decisões para os médicos, a concepção de vacinas e o teste rápido de ferramentas, e para entender espirra. E as respostas são necessárias em um pouco espaço de tempo mais curto do que o Pensamento Profundo estava propondo.

O maior número de Covid-19 de supercomputação de projetos envolve a concepção de drogas. É provável que tomar vários medicamentos eficazes para tratar a doença. Supercomputadores permitem que os pesquisadores tomar uma abordagem racional e objetivo para seletivamente o focinho de proteínas que a SARS-CoV-2, o vírus que causa a Covid-19, necessidades de seu ciclo de vida.

O genoma viral codifica proteínas precisas para o vírus infectar os seres humanos e para replicar. Entre estes estão o infame pico de proteína que fareja e penetra humanos celular alvo, mas existem também as enzimas e máquinas moleculares que o vírus força os seres humanos para produzir para ele. Encontrar drogas que podem se vincular a estes proteínas e impedi-los de trabalhar é um caminho lógico para ir.

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A Cúpula do supercomputador no Oak Ridge National Laboratory tem um pico de desempenho de 200.000 mil trilhões de cálculos por segundo—o equivalente a cerca de um milhão de laptops. Crédito da imagem: Oak Ridge National Laboratory, dos EUA, Dept. de Energia, CC BY

Eu sou um biofísica molecular. Meu laboratório, no Centro de Biofísica Molecular na Universidade do Tennessee e Oak Ridge National Laboratory, usa um supercomputador para descobrir medicamentos. Vamos construir três-dimensional de modelos virtuais de moléculas biológicas, como as proteínas utilizadas pelas células e vírus, e simular como vários compostos químicos interagem com as proteínas. Nós do teste de milhares de compostos para encontrar os que a “dock” com uma proteína alvo. Os compostos que se encaixam, fechadura e chave de estilo, com as proteínas são potenciais terapias.

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O topo do ranking, os candidatos são testados experimentalmente para ver se eles realmente não ligam para os seus objectivos e, no caso de Covid-19, impedem que o vírus infectar as células humanas. Os compostos são primeiro testados em células e, em seguida, os animais e finalmente o homem. Computacional descoberta de drogas com computação de alto desempenho tem sido importante na descoberta de medicamentos antivirais no passado, tais como as drogas anti-HIV, que revolucionou o tratamento da AIDS na década de 1990.

Mais Poderoso do mundo Computador

Desde a década de 1990, o poder dos supercomputadores aumentou por um fator de um milhão. Cúpula em Oak Ridge National Laboratory, é atualmente o mais poderoso supercomputador, e tem o poder combinado de cerca de um milhão de computadores portáteis. Um laptop hoje tem aproximadamente o mesmo poder que um supercomputador tinha 20-30 anos atrás.

No entanto, a fim de gin acima da velocidade, do supercomputador arquiteturas tornaram-se mais complicado. Eles usaram a ser constituída de uma única, muito poderoso fichas em que os programas de simplesmente correr mais rápido. Agora, eles consistem em milhares de processadores executando processamento massivamente paralelo em que muitos cálculos, tais como testar o potencial de drogas para encaixar com um patógeno ou da célula de proteínas, são executadas ao mesmo tempo. Persuadir os processadores a trabalhar em conjunto de forma harmoniosa é uma dor no pescoço, mas significa que nós podemos experimentar uma grande quantidade de produtos químicos que virtualmente.

Além disso, os pesquisadores usam supercomputadores para descobrir por simulação de diferentes formas formado pelo destino sítios de ligação e, em seguida, praticamente dock compostos para cada forma. No meu laboratório, esse procedimento tem produzido experimentalmente validados bate—produtos químicos que o trabalho—para cada uma das 16 alvos de proteína que o médico-cientistas e bioquímicos descobriram nos últimos anos. Estas metas foram selecionados porque encontrar compostos que se encaixam com eles pode resultar em medicamentos para o tratamento de diferentes doenças, incluindo doença renal crônica, câncer de próstata, osteoporose, diabetes, trombose e infecções bacterianas.

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Os cientistas estão usando supercomputadores para encontrar maneiras de desativar a várias proteínas, incluindo a infame pico de proteína (verde saliências)—produzido por SARS-CoV-2, o vírus responsável pela Covid-19. Crédito da imagem: Thomas Splettstoesser scistyle.com, CC BY-ND

Bilhões de Possibilidades

Assim que os produtos químicos estão sendo testados para Covid-19? Uma primeira abordagem é experimentar drogas que já existem para outras indicações e que nós temos uma boa idéia de que são razoavelmente seguro. Isso é chamado de “reaproveitamento”, e se ele funciona, aprovação regulamentar será rápida.

Mas reaproveitamento não é, necessariamente, ser feito da forma mais racional. Uma ideia, os pesquisadores estão considerando é que as drogas que funcionam contra alvos de proteína de alguns outros vírus, como a gripe, a hepatite ou o Ebola, irá automaticamente funcionar contra Covid-19, mesmo quando o SARS-CoV-2 alvos de proteína não têm a mesma forma.

O nosso próprio trabalho e agora se expandiu para cerca de 10 metas de SARS-CoV-2, e também estamos olhando para proteína humana metas para interromper o ataque de vírus nas células humanas. Topo do ranking compostos a partir de nossos cálculos estão sendo testadas experimentalmente para a atividade contra o vírus vivo. Vários destes já foram encontrados para ser ativo.A melhor abordagem é verificar se realocado compostos realmente irá ligar para o seu público-alvo. Para esse fim, o meu laboratório, publicou um relatório preliminar de um supercomputador orientado a ancoragem estudo de reaproveitamento composto de banco de dados, em meados de fevereiro. O estudo classificou de 8.000 compostos, a fim de quão bem eles ligam para o viral pico de proteína. Este papel desencadeou a criação de uma computação de alto desempenho consórcio contra o nosso viral inimigo, anunciada pelo Presidente Trump, em Março. Vários de nossos topo do ranking compostos estão agora em ensaios clínicos.

Além disso, nós e os outros estão se aventurar no mundo selvagem de descoberta de novos medicamentos para Covid-19—à procura de compostos que nunca foram julgados como drogas antes. Bancos de dados de milhares de milhões destes compostos existe, tudo o que poderia, provavelmente, ser sintetizados no princípio, mas a maioria dos quais nunca foram feitas. Bilhões-composto de encaixe é feito sob medida tarefa para massivamente paralelo de supercomputação.

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O amanhecer da Era Exascale

O trabalho vai ser ajudado pela chegada da próxima grande máquina em Oak Ridge, chamado de Fronteira, prevista para o próximo ano. Fronteira deve ser cerca de 10 vezes mais potente que a Cúpula. Fronteira anunciará o “exascale” supercomputação era, o que significa máquinas capazes de 1,000,000,000,000,000,000 de cálculos por segundo.

Apesar de algum receio de supercomputadores vai dominar o mundo, por enquanto, pelo menos, eles são a humanidade servos, o que significa que eles fazem o que lhes dizer. Diferentes cientistas têm ideias diferentes sobre como calcular que os medicamentos funcionam melhor—alguns preferem a inteligência artificial, por exemplo—, então há um monte de discutir acontecendo.

Felizmente, os cientistas armados com os mais poderosos computadores do mundo vai, mais cedo ou mais tarde, encontrar os medicamentos necessários para combater Covid-19. Se o fizer, a sua resposta vai ser de mais proveito imediato, se menos filosoficamente tentadora, que a resposta para a pergunta final fornecida pelo Pensamento Profundo, que foi, muito, basta 42.O Conversa

Este artigo é republicada A partir da Conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

Crédito da imagem: NIH/NIAID

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