冠状病毒将众包分子科学推向了一个极端

冠状病毒将众包分子科学推向了一个极端

长跑Folding@Home程序作为众包,解决分子相互作用这一极其复杂的任务已经达到了一个重要的里程碑,因为成千上万的新用户注册使用他们的电脑。这个网络现在包含一个计算能力的“exaflop”:每秒1000,000,000,000,000,000,000,000,000次运算。

Folding@Home开始于大约20年前,当时是一种新颖的方式,由现在--休眠的SETI@Home--开创了TA来打破计算沉重的问题,并将TA们分给个人执行。相当于分布在全球的一台粗糙的超级计算机,虽然TA不像一台“真正的”超级计算机那样有效地通过计算进行爆破,但可以使复杂问题得到简短的解决。

这个工具所讨论的问题(由圣路易斯华盛顿大学的一个小组管理)是蛋白质折叠的问题。蛋白质是使我们的生物学运作的许多化学结构之一,TA们从小的、相对被理解的分子到真正巨大的分子。

蛋白质的特点是,TA们的形状取决于条件--温度、pH值、其他分子的存在与否。这种形状的改变往往使TA们变得有用--例如,一种动蛋白就会改变形状,就像一对腿在细胞上携带有效载荷一样。另一种蛋白质,比如离子通道,只有在另一种蛋白质存在的情况下才会打开,让带电的原子通过,这就像锁上的钥匙一样。

冠状病毒将众包分子科学推向了一个极端

一些这样的变化,或卷积,都有很好的记录,但大多数都是完全未知的。但是,通过对分子及其周围环境的稳健模拟,我们可以发现有关蛋白质的新信息,这些信息可能会导致重要的发现。例如,如果你能证明一旦离子通道打开,另一种蛋白质就会比平时更长时间锁定TA,或者迅速关闭TA?找到这些机会就是这种分子科学的意义所在。

不幸的是极计算费用很高。这些分子间和分子内部的相互作用是超级计算机可以没完没了地磨掉的东西,可以覆盖每一种可能性。20年前,超级计算机比现在更加罕见,所以Folding@Home是一种不用购买5亿美元的Cray安装就能完成这种沉重计算负荷的方法。

这个程序一直在运行,当SETI@Home推荐作为TA的许多用户的替代品时,TA可能会得到提升。但冠状病毒危机使得把自己的资源贡献给更大事业的想法变得非常有吸引力,因此用户数量大幅增加--以至于服务器很难把问题提交给每个人的电脑来解决。

冠状病毒将众包分子科学推向了一个极端

所庆祝的里程碑是一项巨大的处理能力的成就,我相信每秒六倍(10亿)的运算量。一个操作是一个逻辑操作,比如和或NOR,其中几个一起形成了数学表达式,最终形成有用的东西,比如说:“在38摄氏度以上的温度下,这种蛋白质会变形,从而使药物在这个部位结合并使其失效。”

扩展计算是超级计算机的下一个目标;英特尔和克雷他们正在为国家实验室建造外挂电脑,预计在未来几年内会上线--但目前可用的最快的超级计算机的运行速度为数百千兆字节,大约是其速度的一半到三分之一。

当然,这两件事并不是可以直接比较的--Folding@Home正在整理Exaflop的计算能力,但TA并不是作为一个处理单个问题的单元运行,因为exascale系统是建立在。前标签的存在是为了给人一种尺度感。

这种分析会导致冠状病毒治疗吗?也许晚些时候,但几乎肯定不会在不久的将来。蛋白质组学是“基础研究”,因为它本质上是为了更好地了解我们所处时期内的世界。

COVID-19(如帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、阿尔茨海默氏症和其他疾病)不是一个单一的问题,而是一个庞大的、界限很差的未知数集合;TA的蛋白质组和相关的相互作用是这组问题的一部分重点不在于偶然发现一颗神奇的子弹,而是要为理解奠定基础,以便当我们评估潜在的解决方案时,我们可以更快地选择正确的方案。

正如该项目在一篇发布与冠状病毒相关工作的博客文章中指出的那样:

这波最初的项目侧重于更好地了解这些冠状病毒如何与病毒进入人类宿主细胞所需的人类ACE 2受体相互作用,以及研究人员如何能够通过设计新的治疗性抗体或小分子来干扰TA们的相互作用。

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