Coronavirus simulato dal supercomputer Frontera

Nuove simulazioni con il supercomputer Frontera aiuteranno i ricercatori a progettare nuovi farmaci e vaccini per combattere il coronavirus SARS-COV-2.

Gli scienziati stanno preparando un potente calcolatore che fornirà informazioni su come il coronavirus SARS-COV-2 infetta nel corpo. Hanno fatto i primi passi, testando le prime parti del modello e ottimizzando il codice sul supercomputer Frontera dell'University of Texas presso il Texas Advanced Computing Center (TACC) di Austin. Le conoscenze acquisite dal modello completo possono aiutare i ricercatori a progettare nuovi farmaci e vaccini per combattere il coronavirus.

La dottoressa Rommie Amaro (1) sta guidando gli sforzi per costruire il primo modello completo di atomo completo dell'involucro del coronavirus SARS-COV-2, il suo componente esterno. Ella afferma: «Se abbiamo un buon modello per come appare l'esterno della particella e come si comporta, avremo una buona visione dei diversi componenti coinvolti nel riconoscimento molecolare. Il riconoscimento molecolare riguarda il modo in cui il virus interagisce con i recettori dell'enzima 2 Angiotensin-converting enzyme 2 (2) di conversione dell'angiotensina (ACE2) e possibilmente con altri bersagli all'interno della membrana della cellula ospite.» La dottoressa Amaro è professore di chimica e biochimica all'Università della California, San Diego.

La dottoressa Rommie Amaro prevede che il modello di coronavirus SARS-COV-2 contenga circa 200 milioni di atomi, un'impresa scoraggiante, in quanto l'interazione di ciascun atomo tra loro deve essere calcolata. Il flusso di lavoro del suo team adotta un approccio di modellazione ibrida o integrativa. Ella spiega: «stiamo cercando di combinare i dati a diverse risoluzioni in un modello coerente che può essere simulato su strutture di classe dirigente come il super calcolatore Frontera. Fondamentalmente iniziamo con i singoli componenti, in cui le loro strutture sono state risolte a risoluzione atomica o quasi atomica. Prendiamo con cura ciascuno di questi componenti in funzione e in uno stato in cui sono stabili.»

Il supercomputer Frontera ha dato un grande contributo all'impegnativo lavoro dell'Amaro Lab gli scorsi 12-13 marzo 2020, eseguendo simulazioni di dinamica molecolare NAMD (3) su un massimo di 4.000 nodi e circa 250.000 processori di elaborazione. Questa è una simulazione notevolmente su larga scala eseguita da sola su Frontera, il supercomputer classificato al quinto posto come calcolatore più potente al mondo e al primo posto come supercomputer accademico, secondo le classifiche del mese di novembre 2019 dell'organizzazione Top500. (4) Frontera è il sistema di classe dirigente nell'ecosistema delle infrastrutture cibernetiche della National Science Foundation. (5)

La dottoressa Rommie Amaro spiega: «simulazioni di questa portata sono possibili solo su una macchina come Frontera o eventualmente su un calcolatore presso il Dipartimento dell'Energia. Abbiamo subito contattato il team di Frontera e si sono dimostrati molto gentili nel darci lo status di priorità per il benchmarking e nel tentativo di ottimizzare il codice in modo che queste simulazioni possano essere eseguite nel modo più efficiente possibile, una volta che il sistema è effettivamente operativo. È sicuramente entusiasmante lavorare su una di queste macchine nuove di zecca. La nostra esperienza finora è stata molto buona. I benchmark iniziali sono stati davvero impressionanti per questo sistema. Continueremo a ottimizzare i codici per questi imponenti sistemi in modo da poter ottenere prestazioni ancora migliori. Direi che anche lavorare con il team di Frontera è stato fantastico. Sono pronti ad aiutare e sono stati estremamente reattivi durante questo periodo critico. È stata una esperienza molto positiva.

Il dottor Dan Stanzione, (6) direttore esecutivo di TACC e principale investigatore del progetto di supercomputer Frontera, «il Texas Advanced Computing Center (TACC) è orgoglioso di supportare questa ricerca critica e innovativa. Continueremo a supportare le simulazioni della dottoressa Amaro e altri importanti lavori relativi alla comprensione e alla ricerca di un modo per sconfiggere questa nuova minaccia.»

Il lavoro della dottoressa Amaro con il coronavirus si basa sul suo successo con una simulazione a tutto atomo dell'involucro del virus dell'influenza, pubblicata su ACS Central Science. (7)

La dottoressa Rommie Amaro spiega: «è un test geniale per verificare i nostri metodi e le nostre capacità di adattamento ai nuovi dati e di metterli in funzione immediatamente. Ci è voluto un anno o più per costruire l'involucro virale dell'influenza e metterlo in funzione sui supercomputer nazionali. Per l'influenza, abbiamo usato il supercomputer Blue Waters, che era in qualche modo il predecessore di Frontera. Il lavoro, tuttavia, con il coronavirus sta ovviamente procedendo a un ritmo molto, molto più veloce. Ciò è reso possibile, in parte a causa del lavoro svolto in precedenza su Blue Waters. Queste simulazioni ci forniranno nuove intuizioni sulle diverse parti del coronavirus che sono necessarie per l'infettività. Comprendere queste diverse caratteristiche conferirà agli scienziati maggiori possibilità di progettare nuovi farmaci; capire come funzionano gli attuali farmaci e le potenziali combinazioni di farmaci. Le informazioni che otteniamo da queste simulazioni sono molteplici e multidimensionali e saranno utili immediatamente agli scienziati in prima linea e anche a lungo termine. Speriamo che il pubblico capisca che ci sono molti diversi componenti e aspetti della scienza per spingere in avanti nella comprensione di questo virus. Queste simulazioni su Frontera sono solo uno di quei componenti, ma si spera sia importante e proficuo.»

Riferimenti:

(1) Amaro Lab

(2) Angiotensin-converting enzyme 2

(3) NAMD

(4) Top500

(5) National Science Foundation

(6) Dan Stanzione

(7) Mesoscale All-Atom Influenza Virus Simulations Suggest New Substrate Binding Mechanism

Descrizione foto: un modello di computer all-atom con involucro di coronavirus è stato sviluppato dall'Amaro Lab di UC San Diego sul supercomputer Frontera finanziato dalla NSF di TACC presso UT Austin. La biochimica Rommie Amaro spera di sfruttare il suo recente successo con simulazioni di virus all-atom in Uenza (a sinistra) e applicarle al coronavirus (a destra). - Credit: Lorenzo Casalino (UCSD), Texas Advanced Computing Center (TACC).

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Coronavirus Massive Simulations Completed on Frontera Supercomputer