對抗冠狀病毒,世界上最強大的超級計算機已加入戰鬥

2020-12-17 36氪

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編者按:冠狀病毒的陰影已然籠罩了全球。為了抗擊疫情,科學家們已經徵募了世界上最強大的超級計算機——IBM公司建造的Summit助力藥物開發。預計在未來,如果再次爆發新的和治療方法未知的疾病時,我們仍舊可以使用世界上500個左右的超級計算機來模擬藥物發現的過程,這樣科學家就可以儘快啟動藥物測試,以最快的速度用科學的工具做出科學的反應。本文譯自medium,文章作者Emily Mullin,原文標題The World’s Most Powerful Supercomputer Has Entered the Fight Against Coronavirus。

圖片:Oak Ridge National Lab(橡樹嶺國家實驗室)

隨著Covid-19在全球範圍內擴散開來,科學家們正忙著尋找能幫助患者早日康復的藥物。這種以前從未出現過的病原體會導致嚴重的呼吸道症狀,包括呼吸困難和胸部疼痛。

為了提高搜索能力,科學家們已經徵募了世界上最強大的超級計算機——IBM公司建造的Summit投入戰鬥。這臺超級計算機的地板空間有兩個網球場那麼大。在美國能源部位于田納西州的橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory),這臺計算機以每秒200千萬億次的計算速度——大約是普通筆記本電腦的100萬倍——工作著。

上個月,研究人員用它篩選了8000種已知的藥物化合物,以尋找最有可能有效對抗冠狀病毒的藥物。這些藥物包括化學合成品、草藥和天然藥品,它們要麼已經在人體中被研究過,要麼已經被批准為藥物——重要的是,這些藥物已經被認為對人體是安全的。Summit在兩天內將數據集縮小到了77個。如果使用普通電腦,這一過程可能需要耗費好幾個月的時間。

「從邏輯上來說,如果這些藥品中有任何一種有效,它就應該比典型的藥物開發過程更快地獲得批准和廣泛使用,」田納西大學(University of Tennessee)的分子生物物理學家Jeremy Smith告訴OneZero。今年2月,他和他的同事將他們的發現發布在伺服器ChemRxiv上,並在進行更多計算的同時對論文進行更新。

圖片:Oak Ridge National Lab(橡樹嶺國家實驗室)

如果其中任何一種化合物對動物有效,科學家們就可以跳過對人類的初步安全試驗,直接測試藥物對病人的有效性。

眾所周知,藥物開發是一個漫長的過程——一種新藥從被發現到進入市場可能要花上10年的時間,而且開發失敗的主要原因是因為它們不安全或者沒有達到預期效果。這就是為什麼像Summit這樣的超級計算機在全球爆發一種沒有已知治療方法的傳染病時特別有用的原因。

為了進行模擬,Smith使用了中國研究人員於今年1月在網上公布的該病毒的基因組。數據顯示,這種現在被稱為SARS-CoV-2的病毒與導致嚴重急性呼吸系統綜合症(SARS)的冠狀病毒相似,並以類似的方式感染人體。有了這些知識,他們設計了相應的程序來尋找特殊的針對性藥物。

冠狀病毒得名於其表面的冠狀蛋白,這些蛋白使病毒能夠結合併感染人類細胞。研究人員利用Summit確定了能夠與這些蛋白質結合的藥物,以阻止病毒進入人體細胞。

使這一過程變得複雜的是,病毒的冠狀蛋白不斷地進行微小的運動。研究人員必須弄清楚如何模擬這些運動,以幫助找到可以對抗這些運動的藥物。「這是一個複雜的數學問題,」IBM副總裁David Turek告訴OneZero說。

使用機器學習算法,超級計算機可以非常快速地做到這一點,它可以將一個問題分解成若干塊,分配給所有單獨的節點或計算機,然後將所有這些塊重新組合在一起,重新構成問題的解決方案。它類似於一個蜂箱,裡面有一百多個不同的工蜂為了一個共同的目標在一起工作,但是每一個都有自己的任務。這種能力使研究人員能夠執行難以置信的複雜任務,如發現某種針對性的藥物。

但有結果並不意味著該團隊已經找到了治療或治癒SARS-CoV-2的方法。他們鑑定出的77種化合物還需要在實驗室中對動物和人類細胞進行測試。田納西大學衛生中心(University of Tennessee Health Center)的病毒學家現在已經開始進行實驗了,但確定其中任何一種化合物是否對冠狀病毒有效可能需要數月時間。這可能還不足以馬上幫助患者,但如果這種冠狀病毒的傳播持續到明年,或者這種病毒從此就與人類共存——這意味著它成為一種像流感一樣經常發生的病原體——那麼我們自然都希望有一種針對此病毒的特效藥。

Smith表示:「我不知道這些方法是否有效。也許資料庫中沒有什麼藥物會起作用,也許有幾種會起作用。」

Smith認為,如果未來再次爆發新的和治療方法未知的疾病時,我們可以使用世界上500個左右的超級計算機來模擬藥物發現的過程,這樣科學家就可以儘快啟動藥物測試。他表示:「我們可以準備好科學工具,這樣我們就能以最快的速度做出正確的科學反應。」

譯者:喜湯

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