Пожертвование времени на вычисления может помочь создать виртуальный суперкомпьютер, который может искать лекарство

Оставаться дома — не единственный способ помочь в борьбе с пандемией коронавируса.

Сотни тысяч добровольцев добавили свои домашние компьютеры в обширную сеть, которая образует виртуальный суперкомпьютер под названием Folding @ home. Проект Folding @ home, (который использует вычислительные возможности краудсорсинга для запуска симуляции белков для исследователей, изучающих болезни) объявил в феврале, что он начнет анализ белков, обнаруженных в коронавирусе после продолжающейся пандемии. Эти белки являются инструментами, которые помогают вирусу заражать клетки человека. Используя компьютерное моделирование исследователи картируют белки коронавируса в надежде выявить уязвимости, которые можно атаковать с помощью новых лекарств.

Чем больше добровольцев вкладывают свои неиспользованные вычислительные мощности в работу, тем быстрее виртуальный суперкомпьютер может творить чудеса. С тех пор как проект объявил о своем новом фокусе на коронавирус, к нему присоединилось около 400 000 новых добровольцев.

Science News поговорили с руководителем проекта Грегори Боуманом (Gregory Bowman), биофизиком Медицинского факультет Вашингтонского университета (Washington University School of Medicine) в Сент-Луисе, о том, как работает проект и как люди могут помочь.

Как моделирование помогает картировать белки коронавируса?

Исследователи сделали снимки белков коронавируса, называемого SARS-CoV-2 используя такие методы, как рентгеновская кристаллография и криоэлектронная микроскопия. Но белки не стоят на месте, говорит Боуман.

«Все атомы в белке и [его окружении] постоянно толкают и притягивают друг друга»,— говорит он. «То, что мы делаем, моделирует эти физические взаимодействия в компьютере». Эти моделирования показывают различные формы, которые может принимать структура белка.

Какие уязвимости вы ищете?

«Вам нужен хороший «карман» на поверхности белка, где вы можете представить себе эту маленькую молекулу, которую мы проектируем, вставляя ее в канавку»,— говорит Боуман. Но многие белки, особенно вирусы имеют, казалось бы, гладкую поверхность, что затрудняет их нацеливание.

Моделирование Folding @ home дает ученым шанс раскрыть то, что Боуман называет «загадочными карманами»— потенциальные места стыковки лекарств, которые не видны на неподвижных изображениях белка, но обнаруживаются, когда белок извивается в компьютерной симуляции.

По словам Боумена, проект Folding @ home направлен на моделирование «каждого белка [коронавируса], для которого мы можем построить разумные исходные структуры». «Уже есть ряд белков из нового коронавируса», которые исследователи изобразили, например, остроконечный белок вируса (показан), который помогает ему заражать клетки человека. Folding @ home моделирует белки коронавируса, подобные этому, для поиска лекарств способных остановить вирус.

Сработало ли это для других вирусов?

«На самом деле мы взяли один белок из вируса Эбола, провели симуляции и обнаружили один из этих загадочных карманов»,— говорит Боуман. «Затем мы пошли и провели эксперименты, чтобы показать, что действительно есть маленький карман и если мы поместим туда небольшую молекулу он действительно может отключить функцию белка». Аналогичным образом, новая молекула лекарственного средства может быть разработана для того, чтобы прилипать к химическим зубцам белка SARS-CoV-2, который делает вирус неспособным инфицировать клетки человека.

Почему бы просто не найти существующее лекарство, которое работает на коронавирус?

«Это было бы удивительно»,— говорит Боуман. Разработка новых лекарств может занять годы или даже десятилетия, поэтому исследователи исследуют несколько существующих лекарств, таких как препараты, предназначенные для борьбы с гепатитом С, лихорадкой Эбола и малярией, в качестве потенциальных препаратов для лечения COVID-19. Но «нет никаких гарантий, что эти вещи будут работать»,— говорит он. Например, противовирусные препараты, используемые для лечения ВИЧ, которые первоначально выглядели многообещающими, не показали явной пользы для пациентов с коронавирусом в недавнем клиническом исследовании. Усилия, такие как Folding @ home, дополняют тестирование существующих лекарств путем расширения поиска.

Даже если кто-то идентифицирует лекарство, которое может нанести вред SARS-CoV-2, «мы не хотим останавливаться на достигнутом»,— говорит Боуман. «Предполагается, что, как и многие вирусы, он будет мутировать довольно быстро, и что если мы не будем поспевать за ним, мы вернемся к той же проблеме, что и сейчас. Решение этой проблемы на многих направлениях — наша лучшая ставка на успех».

Зачем вам суперкомпьютер для симуляции?

«Мы должны работать в очень очень очень малых временных масштабах», чтобы уловить крошечные колебания атомов в белках, говорит Боуман. «Каждый шаг в симуляции имеет порядок фемтосекунды», или одну квадриллионную секунды. Чтобы отследить движение белка, скажем, за секунду, «мы должны сделать миллиард в квадрате компьютерных операций и каждая из этих операций требует, чтобы мы спросили, как взаимодействует каждая пара атомов в белке и окружающем растворе»  друг с другом»,— говорит он. Используя вычислительную мощность многих добровольцев одновременно Folding @ home выполнит расчеты в течение одного месяца, что может занять на обычном настольном компьютере 100 лет.

Folding @ home — не единственный суперкомпьютер, которому поручено изучение SARS-CoV-2. 23 марта Белый дом объявил о создании нового консорциума компаний, университетов и правительственных учреждений, в том числе нескольких национальных лабораторий, NASA, IBM и Microsoft, которые предлагают исследователям доступ к своим суперкомпьютерам, чтобы ускорить открытие методов лечения или вакцины от атипичной пневмонии SARS-CoV-2.

Кто может помочь с Folding @ home?

«Любой может установить наше программное обеспечение на свои персональные компьютеры и внести свой вклад»,— говорит Боуман. «У нас есть все — от людей, управляющих им на своих старых ноутбуках, до геймеров, у которых действительно хардкорные машины, до… предприятий, которые указывают компьютерные кластеры на Folding @ home».

Источник: Science News