超级计算机完成了大规模的冠状病毒模拟,以帮助设计新的药物和疫苗

时间:2020-03-29 19:13 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

超级计算机完成了大规模的冠状病毒模拟,以帮助设计新的药物和疫苗

新的模拟可以帮助研究人员设计新的药物和疫苗来对抗冠状病毒。

科学家们正在准备一个大规模的冠状病毒计算机模型,他们希望这个模型能让人们了解冠状病毒是如何感染人体的。他们已经迈出了第一步,测试了模型的第一部分,并在得克萨斯大学奥斯汀分校得克萨斯高级计算中心(TACC)的弗伦特拉超级计算机上对代码进行了优化。从完整的模型中获得的知识可以帮助研究人员设计新的药物和疫苗来对抗冠状病毒。

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Rommie Amaro正在努力建立第一个完整的SARS-COV-2冠状病毒包膜的全原子模型,它的外部组成部分。如果我们有一个好的模型来描述粒子的外部是什么样子以及它是如何运动的,我们就能很好地了解分子识别中涉及的不同成分。分子识别包括病毒如何与血管紧张素转换酶2 (ACE2)受体相互作用,以及宿主细胞膜内的其他靶点。Amaro是加州大学圣地亚哥分校的化学和生物化学教授。

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Amaro预计冠状病毒模型将包含大约2亿个原子,这是一项艰巨的任务,因为必须计算每个原子之间的相互作用。她的团队工作流程采用了一种混合的或综合的建模方法。

我们试图将不同分辨率的数据组合成一个内聚模型,可以在像Frontera这样的领导级设备上进行模拟。Amaro说。我们基本上从单个组件开始,它们的结构以原子或接近原子的分辨率进行解析。我们小心地让每个组件启动和运行,并使它们处于稳定的状态。然后我们可以把它们引入到邻近分子的更大的包络模拟中。

2020年3月12日至13日,Amaro实验室在Frontera上对多达4000个节点(约25万个处理核)进行了分子动力学模拟。Frontera是世界排名第五的超级计算机,也是2019年11月世界500强排名第一的学术型超级计算机,是由国家科学基金会支持的领导级高性能计算系统。

这种规模的模拟只能在像弗伦特拉这样的机器上运行,或者可能在能源部这样的机器上运行。Amaro说。我们立即联系了Frontera团队,他们非常亲切地给予我们优先基准测试的地位,并试图优化代码,以便在系统真正运行起来后,这些模拟能够尽可能高效地运行。

能在这样一台全新的机器上工作,我感到很兴奋,这是肯定的。到目前为止,我们的经验非常好。这个系统最初的基准测试非常出色。我们将继续为这些超大型系统优化代码,以便最终获得更好的性能。我想说的是,与弗龙特拉的团队合作也非常棒。他们时刻准备着提供帮助,在这段关键的时间里,他们的反应非常积极。这是一次非常积极的经历。Amaro说。

TACC很自豪能够支持这项重要的、开创性的研究。TACC执行董事、Frontera超级计算机项目首席研究员丹·斯坦兹奥内(Dan Stanzione)说。我们将继续支持amaro的模拟和其他与理解和找到击败新威胁的方法相关的重要工作。

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阿马洛的冠状病毒研究建立在她成功的全原子模拟流感病毒包膜的基础上,该研究成果发表在了2020年2月的《美国化学学会中心科学》杂志上。她说,流感研究工作将与他们目前正在研究的冠状病毒有许多相似之处。

这是对我们的方法和适应新数据的能力的一次出色的测试,让我们能够立即启动和运行这些数据。Amaro说。我们花了一年多的时间来构建流感病毒的外壳,并使它在国家超级计算机上运行。对于流感,我们使用了蓝水超级计算机,它在某些方面是弗龙特拉的前身。然而,研究冠状病毒的工作显然正在以更快的速度进行。这是可以实现的,部分原因是我们之前在Blue Waters所做的工作。

阿马洛说:这些模拟将使我们对传染性冠状病毒的不同部分有新的认识。我们之所以关心这个是因为如果我们能理解这些不同的特征,科学家就有更好的机会来设计新药;了解当前药物和潜在药物组合的作用机制。我们从这些模拟中得到的信息是多方面和多维的,将对前线的科学家立即和长期有用。希望公众能够理解,有许多不同的科学组成部分和方面来推动对这种病毒的了解。这些在Frontera上的模拟只是这些组件中的一个,但希望是一个重要的和有益的组件。

参考文献:中尺度全原子流感病毒模拟表明了新的底物结合机制;Jacob D. Durrant, Sarah E. Kochanek, Lorenzo Casalino, Pek U. Ieong, Abigail C. Dommer和Rommie E. Amaro, 2020年2月19日,ACS中心科学。

DOI: 10.1021 / acscentsci.9b01071

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