Як суперкомп’ютери допомагають нам у боротьбі з коронавірусом

28 травня 2020, 06:33
Вы также можете прочесть этот материал на русском языке

Розробка вакцини від коронавірусу — дуже складний процес, для якого потрібні серйозні обчислювальні потужності. Такі потужності можуть забезпечити суперкомп’ютери, які дозволяють обробляти генетичну інформацію набагато швидше.

В одній краплі рідини, яку людина вдихає або видихає з повітрям, можуть міститися мільярди частинок вірусу. Кожна з них складається з тисяч нуклеотидів. Саме вони та їх послідовність відповідають за специфічні риси будь-якого вірусу: від ступеня хвороботворності до особливостей передачі.

Відео дня

Сьогодні дослідникам вже вдалося секвенувати, тобто визначити послідовності елементів, близько 100 геномів нового коронавірусу. Проте це забезпечило лише базову інформацію для початку боротьби з вірусом.

Щоб повністю розібратися з природою пандемії та визначити шляхи боротьби з нею — необхідно дослідити геноми інфікованих.

Наразі ще багато запитань залишаються без відповіді. Чому вірус такий заразний? Чому в одних пацієнтів розвивається складна форма пневмонії, а інші хворіють безсимптомно? Як організм реагуватиме на різні види лікування?

Відповіді на них вчені сподіваються знайти у сфері взаємодії людських геномів і штамів вірусу. Розуміння цього процесу дозволить більш ефективно діагностувати захворювання і визначити ефективний протокол лікування.

Розшифровка «книги» геному і розробка вакцини

СС
Фото: СС

Геном людини можна порівняти з книгою на тисячі сторінок. Тоді текст на них буде побудований на дуже обмеженому алфавіті, який складається лише з чотирьох літер: AGCT. Вони позначають чотири нуклеотиди (денін, цитозин, гуанін і тимін), що входять до складу ДНК. Їхні послідовності роблять людину такою, якою вона є: визначають зріст, колір волосся та схильність до хвороб, в тому числі до коронавірусу.

Щоб визначити, наскільки людина може піддаватися впливу вірусу, для початку необхідно знайти сторінки «книги» геному з потрібною інформацією (тобто конкретні гени). Виявити їх вдасться тільки порівнюючи гени максимальної кількості пацієнтів і фіксуючи загальні риси, які будуть вказувати на сприйнятливість або стійкість до інфекції.

Ґрунтовну базу для розробки ефективної вакцини може забезпечити дослідження природного імунітету до вірусу. Саме тому в фільмах про епідемії так часто вчені шукають стійку до хвороби людину і буквально «полюють» на неї. Але в цих фільмах зазвичай забувають про час, витрачений на клінічні дослідження і випробування, які можуть тривати місяцями або навіть роками.

Для розробки ефективних методів боротьби з вірусом, вчені планують дослідити ДНК десятків тисяч інфікованих пацієнтів. Вивчення незліченних варіацій генів і впливу на них навколишнього середовища породжує величезний масив даних. Обчислювальні потужності і сховища для зберігання даних подібних досліджень доступні тільки в середовищі високопродуктивних обчислень.

Раніше процес дослідження одного геному міг тривати понад десять років і коштувати мільярди, проте тепер, завдяки потужностям суперкомп’ютерів, повний набір генетичної інформації організму можна дослідити лише за кілька годин. Безумовно, шлях до розробки вакцини ще дуже довгий, але відповідні ресурси та інструменти можуть прискорити цей процес.

Компанії Intel і Lenovo об'єднали ресурси, щоб підтримати зусилля вчених і розширити їхні можливості. Організації надали дослідникам кластер високопродуктивних обчислень і поділилися своїми досягненнями у сферах програмного і апаратного забезпечення для ефективного використання технологій.

«Ми намагаємося робити все можливе, щоб допомогти вченим і медикам, які опинилися на передовій боротьби з новим коронавірусом. Ми готові ділитися своїм обладнанням та знаннями й віримо, що попереду справжній прорив для біомедичної спільноти», — коментує провідний фахівець Lenovo з досліджень і розробок у сфері геноміки Міліді Джиральдо.

Високопродуктивні обчислення

СС
Фото: СС

Пам’ятаєте «книгу» геному, на перше прочитання якої знадобилося ціле десятиліття? Тепер на її дослідження потрібно приблизно 150 годин. Це дійсно колосальна швидкість, але її все ще недостатньо для ефективної боротьби з пандемією.

Спеціалістам компаній вдалося розробити оптимізовану апаратну і системну архітектуру, яка дозволить скоротити час обробки генетичної інформації. Це рішення створено на базі програмного забезпечення із відкритим вихідним кодом (Genome Analysis Toolkit — Інструментарій для аналізу геному) та оптимізованих апаратних рішень.

Для налаштування компонентів і роботи кластера найкращим чином було протестовано сотні конфігурацій системи. Але результат того вартий — прискорення обробки даних досягає 40-кратних значень.

«Процес розробки кластера був повністю зосереджений на потребах вчених. Дослідникам краще витрачати свій час на тести, а не на налаштування обладнання. Тому ми протестували всі доступні апаратні комбінації в пошуках ідеального „рецепта“, який допоможе скоротити час проведення досліджень. При цьому використовувалося аналогічне лабораторному програмне забезпечення, щоб система була відразу готова до роботи», — підкреслює доктор Джиральдо.

У короткостроковій перспективі результати досліджень домінуючих штамів пацієнтів допоможуть більш ефективно розподіляти хворих. Наприклад, щойно вони потраплять до клініки, можна буде визначити, хто схильний до розвитку ускладнень і які методи лікування більш ефективні.

У довгостроковій перспективі дослідження дозволять не тільки розробити вакцину, але й прогнозувати майбутні спалахи захворювання. Саме сучасне обладнання та інноваційні технології допоможуть прискорити ці процеси та впоратися з викликом, який новий вірус кинув усьому людству.

poster
Підписатись на щоденну email-розсилку
матеріалів розділу Техно
Розсилка про те як технології змінють світ
Щопонеділка

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Показати ще новини
Радіо НВ
X