На фото 3D-модель оболочки ВИЧ, созданная по итогам симуляции
Биофизики из университета штата Иллинойс совершили прорыв в исследовании ВИЧ, смоделировав молекулярную структуру протеиновой оболочки вируса, что в перспективе позволит создать более эффективные препараты для терапии СПИДа. Исследователи сумели воспроизвести защитную структуру ВИЧ, применив графическую симуляцию на базе бесплатного программного пакета с открытым кодом.
Исследования в области вирусологии ведутся с применением продвинутых технологий получения микроскопических изображений, таких как электронная микроскопия и рентгеновская кристаллография. При их помощи удается рассмотреть структуру отдельно взятых белков, однако то, как частицы соединяются между собой, образуя вирус, пока что остается невидимым для человека. Единственный способ получить изображение этих связей – провести масштабную компьютерную симуляцию, используя данные обоих методов.Именно такую симуляцию впервые произвели ученые из университета штата Иллинойс, использовав для этой цели петафлопный университетский суперомпьютер Blue Waters, являющийся одним из самых быстрых суперкомпьютеров в мире. Система Blue Waters состоит из набора вычислительных модулей Cray XE6 и XK7, использующих вычислительные мощности графических процессоров NVIDIA Tesla K20X. В качестве операционной системы, управляющей модулями суперкомпьютера, используется Linux .Для того, чтобы воспроизвести структуру протеиновой оболочки ВИЧ (называемую капсидом), ученые произвели детализированную симуляцию 100 наносекунд молекулярного движения 4 миллионов атомов, которые образуют 1300 идентичных белков, составляющих капсид ВИЧ. Данные для симуляции были получены при помощи метода электронной микроскопии, называемого «криоэлектронной томографией», который позволяет добиться разрешения в 8 ангстремов (единица измерения измерения расстояний, равная 10−10м).Симуляция молекулярного движения заключается в применении законов движения к отдельным атомам. Исследователь моделирует действие сил притяжения и отталкивания между частицами, благодаря которым возникает их сложное движение. Для того, чтобы сделать это, исследователю требуется дискретизировать пространство и время – разбить на мелкие интервалы – поэтому симуляция включает в себя огромное количество итераций, на каждой из которых действие сил вычисляется заново.
«Вычислительная мощность, использованная для проведения моделирования, стала рекордной за всю историю научных экспериментов — учитывалось взаимодействие 64 миллионов атомов», — сообщил Клаус Шультен (Klaus Schulten), профессор физики университета Иллинойса.
Произвести столь сложную симуляцию исследователям помог открытый программный пакет для моделирования молекулярной динамики, носящий название NAMD (Not just Another Molecular Dynamics program). NAMD является собственной разработкой лаборатории теоретической и компьютерной биофизики университета штата Иллинойс и распространяется через сайт лаборатории вместе с исходниками под неисключительной некоммерческой лицензией.
NAMD – кроссплатформенный продукт для Linux, Windows и Mac OS, который базируется на Charm++, открытой библиотеке параллельных вычислений для C++, разрабатываемой в том же университете. Используя возможности библиотеки, исследователи адаптировали NAMD для работы на GPU-кластере, что дало возможность одновременной симуляции миллионов частиц со скоростью в квадриллион операций в секунду.
Уже было известно, что атомы белков, составляющих капсид ВИЧ, объединяются в пента- и гексагональные цепочки, таким образом, придавая протеиновой оболочке форму, схожую с поверхностью футбольного мяча. В результате симуляции с помощью NAMD, ученые выяснили, что таких цепочек 228, из которых 216 имеют гексагональную форму, а 12 – пентагональную.
Открытие имеет важность для медицины и фармацевтики, так как основной функцией белковой оболочки является защита вируса при его движении между клетками. Как только вирус отказывается внутри клетки, белковая оболочка раскрывается, тем самым запуская разрушительный механизм ВИЧ. Для других вирусов уже создаются лекарственные препараты, препятствующие раскрытию оболочки в клетке или наоборот, преждевременно раскрывающие ее вне клетки, что приводит к повреждению генетического материала вируса. Знание структуры оболочки позволит создать подобные препараты и для борьбы с ВИЧ.
Помимо этого, возможность симуляции подобных масштабов демонстрирует, что технологии параллельных вычислений при помощи GPU-кластеров на Linux набрали достаточный потенциал для промышленного использования.
