Как суперкомпьютеры помогают нам в борьбе с коронавирусом

28 мая 2020, 06:33
Цей матеріал також доступний українською

Разработка вакцины от коронавируса — очень сложный процесс, для которого нужны серьезные вычислительные мощности. Такие мощности могут обеспечить суперкомпьютеры, которые позволяют обрабатывают генетическую информацию гораздо быстрее.

В одной капле жидкости, которую человек вдыхает или выдыхает с воздухом, могут содержаться миллиарды частиц вируса. Каждая из них состоит из тысяч нуклеотидов. Именно они и их последовательность отвечают за специфические черты любого вируса от степени болезнетворности к особенностям передачи.

Видео дня

Сегодня исследователям уже удалось секвенировать, то есть определить последовательности элементов, около 100 геномов нового коронавируса. Однако это обеспечило лишь базовую информацию для начала борьбы с вирусом.

Чтобы полностью разобраться с природой пандемии и определить пути борьбы с ней - необходимо исследовать геном инфицированных.

Пока еще много вопросов остаются без ответа. Почему вирус настолько заразен? Почему у одних пациентов развивается сложная форма пневмонии, а другие болеют бессимптомно? Как организм будет реагировать на различные виды лечения?

Ответы на них ученые надеются найти в сфере взаимодействия человеческих геномов и штаммов вируса. Понимание этого процесса позволит более эффективно диагностировать заболевания и определить эффективный протокол лечения.

Расшифровка «книги» генома и разработка вакцины

СС
Фото: СС

Геном человека можно сравнить с книгой на тысячи страниц. Тогда текст на них будет построен на очень ограниченном алфавите, который состоит только из четырех букв: AGCT. Они обозначают четыре нуклеотида (денин, цитозин, гуанин и тимин), входящих в состав ДНК. Их последовательности делают человека таким, какой он есть: определяют рост, цвет волос и склонность к болезням, в том числе и к коронавирусу.

Чтобы определить, насколько человек может подвергаться воздействию вируса, для начала необходимо найти страницы «книги» генома с нужной информацией (то есть конкретные гены). Определить их удастся только сравнивая гены максимального количества пациентов и фиксируя общие черты, которые будут указывать на восприимчивость или устойчивость к инфекции.

Основательную базу для разработки эффективной вакцины могут обеспечить исследования естественного иммунитета к вирусу. Именно поэтому в фильмах о эпидемии так часто ученые ищут устойчивого к болезни человека и буквально «охотятся» на него. Но в этих фильмах обычно забывают о времени, потраченном на клинические исследования и испытания, которые могут длиться месяцами или даже годами.

Для разработки эффективных методов борьбы с вирусом, ученые планируют исследовать ДНК десятков тысяч инфицированных пациентов. Изучение бесчисленных вариаций генов и влияния на них окружающей среды порождает огромный массив данных. Вычислительные мощности и хранилища для хранения данных подобных исследований доступны только в среде высокопроизводительных вычислений.

Ранее процесс исследования одного генома мог длиться более десяти лет и стоить миллиарды, однако теперь, благодаря мощностям суперкомпьютеров, полный набор генетической информации организма можно исследовать всего за несколько часов. Безусловно, путь к разработке вакцины еще очень длинный, но соответствующие ресурсы и инструменты могут ускорить этот процесс.

Компании Intel и Lenovo объединили ресурсы, чтобы поддержать усилия ученых и расширить их возможности. Организации предоставили исследователям кластер высокопроизводительных вычислений и поделились своими достижениями в сферах программного и аппаратного обеспечения для эффективного использования технологий.

«Мы стараемся делать все возможное, чтобы помочь ученым и медикам, оказались на передовой борьбы с новым коронавирусом. Мы готовы делиться своим оборудованием и знаниями, и верим, что впереди настоящий прорыв для биомедицинской сообщества», - комментирует ведущий специалист Lenovo по исследованиям и разработкам в области геномики Милиди Джиральди.

Высокопроизводительные вычисления

СС
Фото: СС

Помните «книгу» генома, на первое прочтение которой понадобилось целое десятилетие? Теперь ее исследования требуется примерно 150 часов. Это действительно колоссальная скорость, но ее все еще недостаточно для эффективной борьбы с пандемией.

Специалистам компаний удалось разработать оптимизированную аппаратную и системную архитектуру, которая позволит сократить время обработки генетической информации. Это решение создано на базе программного обеспечения с открытым исходным кодом (Genome Analysis Toolkit - инструментарий для анализа генома) и оптимизированных аппаратных решений.

Для настройки компонентов и работы кластера лучшим образом инженеры протестировали сотни конфигураций системы. Но результат того стоит, ведь ускорение обработки данных достигает 40-кратных значений.

«Процесс разработки кластера был полностью сосредоточен на потребностях ученых. Исследователям лучше тратить свое время на тесты, а не на настройку оборудования. Поэтому мы протестировали больше аппаратные комбинации в поисках идеального "рецепта", который поможет сократить время проведения исследований. При этом использовалось аналогичное лабораторному программное обеспечение, чтобы система была сразу готова к работе», - подчеркивает доктор Джиральди.

В краткосрочной перспективе результаты исследований доминирующих штаммов пациентов помогут более эффективно распределять больных. Например, как только они попадут в клинику, можно будет определить, кто склонен к развитию осложнений и методы лечения более эффективны.

В долгосрочной перспективе исследования позволят не только разработать вакцину, но и прогнозировать будущие вспышки заболевания. Именно современное оборудование и инновационные технологии помогут ускорить эти процессы и справиться с вызовом, который новый вирус бросил всему человечеству.

poster
Подписаться на ежедневную email-рассылку
материалов раздела Техно
Рассылка о том как технологии изменяют мир
Каждый понедельник

Присоединяйтесь к нам в соцсетях Facebook, Telegram и Instagram.

Показать ещё новости
Радіо НВ
X