Crédito: Lorenzo Casalino (UCSD), TACC
Bioinformática: Las supercomputadoras están preparando un modelo masivo del coronavirus
25 de marzo de 2020 - Historia original del Texas Advanced Computing Center
Un modelo de computadora de sobre de coronavirus está siendo desarrollado por el Laboratorio Amaro de UC San Diego en la supercomputadora Frontera de TACC, financiada por La NSF, en UT Austin. El bioquímico Rommie Amaro espera aprovechar su reciente éxito con simulaciones de virus influenza (izquierda) y aplicarlas al coronavirus (derecha).
Los científicos están preparando un modelo informático masivo del coronavirus que esperan dará una idea de cómo infecta en el cuerpo. Han dado los primeros pasos, probando las primeras partes del modelo y optimizando el código en la supercomputadora Frontera en la Universidad de Texas en el Texas Advanced Computing Center (TACC) de Austin. Los conocimientos adquiridos a partir del modelo completo pueden ayudar a los investigadores a diseñar nuevos fármacos y vacunas para combatir el coronavirus.
Rommie Amaro está liderando los esfuerzos para construir el primer modelo completo de todos los átomos de la cubierta del coronavirus SARS-COV-2, su componente exterior. “Si tenemos un buen modelo para el aspecto del exterior de la partícula y cómo se comporta, vamos a tener una buena visión de los diferentes componentes que están involucrados en el reconocimiento molecular”. El reconocimiento molecular implica cómo el virus interactúa con los receptores de la enzima conversora de angiotensina 2 (ACE2) y posiblemente otros objetivos dentro de la membrana celular huésped. Amaro es profesor de química y bioquímica en la Universidad de California, San Diego.
Amaro prevé que el modelo del coronavirus contenga aproximadamente 200 millones de átomos, una empresa desalentadora, ya que la interacción de cada átomo entre sí tiene que ser calculada. El flujo de trabajo de su equipo adopta un enfoque de modelado híbrido o integrador.
“Estamos tratando de combinar datos a diferentes resoluciones en un modelo cohesivo que se pueda simular en instalaciones líderes como la de Frontera”, dijo Amaro. “Básicamente comenzamos con los componentes individuales, donde sus estructuras se han resuelto a resolución atómica o casi atómica. Cuidadosamente colocamos cada uno de estos componentes en marcha y en un estado donde encuentren estabilizados. Entonces podemos introducirlos en las simulaciones de envolventes más grandes con moléculas vecinas”.
Del 12 al 13 de marzo de 2020, el Laboratorio de Amaro realizó simulaciones de dinámica molecular en hasta 4.000 nodos, o unos 250.000 núcleos de procesamiento, en Frontera. Frontera, es la 5ta supercomputadora del mundo y la supercomputadora académica número 1, según el ranking de noviembre de 2019 de la organización Top500, es el sistema de computación de alto rendimiento líder, apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias.
“Las simulaciones de ese tamaño sólo son posibles para funcionar en una máquina como Frontera o posiblemente en una máquina del Departamento de Energía”, dijo Amaro. “Nos pusimos en contacto con el equipo de Frontera, y han sido muy amables al darnos el estado de prioridad para la evaluación comparativa y tratar de optimizar el código para que estas simulaciones puedan ejecutarse de la manera más eficiente posible, una vez que el sistema está realmente en funcionamiento”.
“Es emocionante trabajar en una de estas nuevas máquinas, seguro. Nuestra experiencia hasta ahora ha sido muy buena. Los puntos de referencia iniciales han sido realmente impresionantes para este sistema. Vamos a seguir optimizando los códigos para estos sistemas ultra grandes para que, en última instancia, podamos obtener un rendimiento aún mejor. Yo diría que trabajar con el equipo de Frontera también ha sido fantástico. Están listos para ayudar y han sido extremadamente receptivos durante esta ventana de tiempo crítica. Ha sido una experiencia muy positive”, dijo Amaro.
“TACC se enorgullece de apoyar esta investigación crítica e innovadora”, dijo Dan Stanzione, Director Ejecutivo de TACC e Investigador Principal del proyecto de la supercomputadora Frontera. “Continuaremos apoyando las simulaciones de Amaro y otros trabajos importantes relacionados con la comprensión y la búsqueda de la manera de derrotar esta nueva amenaza”.
El trabajo de Amaro con el coronavirus se basa en su éxito con una simulación de todos los átomos del sobre del virus de la gripe, publicado en ACS Central Science, en febrero de 2020. Agregó que el trabajo de gripe tendrá un número notable de similitudes con lo que ahora persiguen con el coronavirus.
“Es una excelente prueba de nuestros métodos y nuestras habilidades para adaptarnos a nuevos datos y poner esto en marcha de inmediato”, dijo Amaro. “Nos llevó un año o más construir y poner en marcha la cubierta viral de la gripe en las supercomputadoras nacionales. Para la gripe, utilizamos el superordenador Blue Waters, que de alguna manera es el predecesor del Frontera. Sin embargo, el trabajo, con el coronavirus obviamente está avanzando a un ritmo mucho, mucho más rápido. Esto está habilitado, en parte, debido al trabajo que hicimos en Blue Waters anteriormente”.
Amaro dijo: “Estas simulaciones nos darán nuevas perspectivas sobre las diferentes partes del coronavirus que se requieren para la infectividad. El por qué nos preocupa conocer esto, es porque, si podemos entender estas diferentes características, los científicos tienen una mejor oportunidad de diseñar nuevos medicamentos; para entender cómo funcionan los medicamentos actuales y las posibles combinaciones de medicamentos. La información que obtenemos de estas simulaciones es multifacética y multidimensional y será de utilidad para los científicos en primera línea inmediatamente y también a largo plazo. Esperemos que el público entienda que hay muchos componentes y facetas diferentes de la ciencia para impulsar para entender este virus. Estas simulaciones en Frontera, son sólo uno de esos componentes, pero esperamos que sea importante y beneficiosa”.
Referencia
Durrant, J. D., Kochanek, S. E., Casalino, L., Ieong, P. U., Dommer, A. C., & Amaro, R. E. (2020). Mesoscale All-Atom Influenza Virus Simulations Suggest New Substrate Binding Mechanism. ACS Central Science, 6(2), 189–196. https://doi.org/10.1021/acscentsci.9b01071
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