Краудсорсинговая компьютерная сеть ищет новые методы лечения болезней
Когда Грег Боуман представляет слайд-шоу о протеинах, которые он изучает, их трехмерные формы и шаблоны складывания воспроизводятся в виде анимации на большом экране. Когда он описывает эти молекулы, может быть легко упустить тот факт, что он действительно не может видеть свою собственную презентацию, по крайней мере, не так, как это делает аудитория.
Боуман, доцент кафедры биохимии и молекулярной биофизики в Медицинской школе Вашингтонского университета в Сент-Луисе, юридически слеп. Сейчас он также возглавляет один из крупнейших в мире проектов в области вычислительной биологии с привлечением краудсорсинга. Усилия направлены на понимание того, как белки складываются в их правильную форму и структурные движения, которые они испытывают, выполняя свою работу, сохраняя тело здоровым. Белки являются жизненно важными клеточными механизмами, и понимание того, как они собираются и функционируют — или неисправны — может пролить свет на многие из самых неприятных проблем в медицинской науке, от предотвращения болезни Альцгеймера до лечения рака и борьбы с устойчивостью к антибиотикам.
Проект, получивший название «Folding @ home » и использующий десятки тысяч домашних компьютеров, выполняет сложные вычисления, необходимые для моделирования динамики белков, которые изучает Боуман и его коллеги. Благодаря этой сетевой вычислительной мощности Folding @ home, по сути, является одним из крупнейших в мире суперкомпьютеров.
«Есть некоторые традиционные суперкомпьютеры, которые могут не согласиться с этой характеристикой», — со смехом сказал Боуман. «Folding @ home — это не просто массивная машина, а распределенная вычислительная сеть. Тысячи добровольцев по всему миру загружают наше программное обеспечение и вносят в проект часть своих настроек домашнего компьютера. Но с точки зрения необработанных вычислительных мощностей — просто количество вычислений, которые он может выполнять в секунду — это на уровне крупнейших суперкомпьютеров мира ».
Боуман начал эту работу в лаборатории основателя Folding @ home Виджая Панде из Стэнфордского университета. Боуман получил докторскую степень в Стэнфорде и проводил там научные исследования. После 18 лет правления Панде выбрал Боумена, чтобы взять на себя лидерство, что привело Folding @ home в следующее десятилетие и далее.
«У Грега уникальная комбинация навыков», — сказал Панде. «У него есть технические возможности для руководства этим сложным проектом, и у него есть навыки работы с людьми, чтобы управлять его распределенным характером, особенно тот факт, что в нем участвует очень много разных людей — как ученых, так и не ученых. Грег также имеет большое видение будущее этого проекта. Он не только будет обеспечивать своевременную работу поездов, но и имеет четкое представление о том, где через 10-20 лет должен быть Folding @ home ».
Огромные вычислительные возможности Folding @ home имеют решающее значение для понимания сворачивания белка , и эту проблему Боуман называет классическим грандиозным испытанием в биохимии и биофизике. Белки — это сырье, из которого состоят наши тела. Но они также являются молекулярными машинами, которые выполняют работу по созданию этих тел и обеспечению их правильной работы. Чтобы сделать свою работу, белок должен сложиться в правильную форму . Если этого не произойдет, все пойдет не так.
Боумен понимает это больше, чем большинство.
Рожденный с нормальным зрением, Боуман постепенно потерял зрение, становясь юридически слепым к девяти годам из-за наследственного заболевания, называемого болезнью Старгардта. Форма ювенильной макулярной дегенерации, она возникает, когда белок, который удаляет отходы из клеток сетчатки, не складывается должным образом и не может выполнять свою работу. В результате светочувствительные клетки сетчатки переполняются отходами и умирают, что приводит к потере центрального зрения.
Боуман сказал, что этот опыт зажег страсть к биологии и стремление понять, что пойдет не так, когда белки, на которые опирается наше тело, не работают должным образом. В конечном итоге он хотел бы найти способы их исправить. Но будучи молодым студентом, Боумен быстро понял, что его путь в поле может немного отличаться от обычного биолога.
«Я узнал, что экспериментальная биология не очень доступна для людей с нарушениями зрения», — сказал Боуман. «По сути, я вижу в низком разрешении, в основном с периферическим зрением. Я могу ориентироваться в коридорах и лабораториях, но, например, я не могу прочитать маленький циферблат на пипетке.
«Когда я понял это, я также влюбился в компьютеры», — сказал он. «Я видел, что навыки информатики и математического моделирования могут быть применены к биологическим проблемам. Плюс, одна из многих красот компьютеров заключается в том, что действительно легко увеличивать объекты. Я могу увеличить до 16-кратного увеличения и прокрутить вокруг». на экране, чтобы я мог прочитать научную статью — или даже просто электронное письмо — например «.
С помощью Folding @ home Боумен и его коллеги изучают белки и то, как они сворачиваются более чем в 16 раз. Действительно, они приближаются настолько физически, насколько это возможно — вплоть до атомного уровня. С помощью этого сетевого суперкомпьютера ученые могут моделировать белки на уровне отдельных атомов за долю времени, которое может потребоваться даже мощным отдельным компьютерам. Многие важные биологические процессы, которые выполняют белки, происходят в течение от миллисекунд до нескольких секунд. Это может показаться коротким, но измерение атомов, когда они отскакивают друг от друга, требует временных масштабов в фемтосекундах — одной квадриллионной доли секунды.
«Чтобы смоделировать всего одну миллисекунду сворачивания, даже для белка среднего размера, на топовом MacBook Pro, потребуется около 500 лет», — сказал Боуман. «Но с помощью Folding @ home мы можем разделить эти проблемы на множество независимых блоков. Мы можем отправить их одновременно 1000 человек. Выполняя эти вычисления параллельно, мы можем взять эти проблемы, которые заняли бы 500 лет, и вместо этого решить их. через шесть месяцев. »
На момент написания этой статьи у Folding @ home было более 110 000 добровольных «папок» по всему миру, которые совместно использовали часть своих домашних вычислительных мощностей. Согласно видео от некоторых добровольцев, их причины для участия в проекте, как и у Боумена, личные. Программа дает пользователям возможность выбора, в какие проекты они вносят свой вклад, заинтересованы ли они, среди прочего, в стимулировании исследований рака, профилактике болезни Альцгеймера или борьбе с устойчивостью к антибиотикам.
Боуман предвидит будущее, в котором Folding @ home станет отправной точкой для разработки новых препаратов. Прямо сейчас у ученых часто есть только одна известная структура белка для изучения. Например, бета-лактамаза — это белок, который некоторые бактерии используют для защиты от таких антибиотиков, как пенициллин. Белок имеет хорошо документированную, давно изученную структуру. Но эта структура представляет собой только один снимок бета-лактамазы в один момент времени.
«Этот снимок содержит ценную информацию», сказал Боуман. «Но это все равно, что увидеть картину строительного транспортного средства на стоянке и попытаться угадать, что она делает. Действительно, вам хотелось бы посмотреть, как эта вещь движется и посмотреть, как она работает вместе с другими механизмами, чтобы, скажем, Построить здание. Нам интересно наблюдать за тем, как движется каждый атом в белке — как он собирается впервые, и как он выполняет свою работу. Атомы в белке никогда не бывают неподвижными, они постоянно толкаются и двигаться вокруг. И одна генетическая мутация изменяет, может быть, дюжину атомов из тысяч. Мы хотим понять, что это делает со всем белком ».
Среди нескольких проектов собственная лаборатория Боумена использует Folding @ home для поиска новых лекарств для борьбы с устойчивостью к антибиотикам. Например, наблюдение за движением бета-лактамазы уже выявило то, что Боуман называет «загадочными карманами», слабые места в белке, на которые могут воздействовать наркотики, но которые не видны в давно изученном снимке этого белка. Загадочные карманы раскрываются только тогда, когда белок движется.
Поскольку Боуман видит мир немного иначе, чем большинство, Folding @ home предлагает ученым другой взгляд на давно изученные белки, выявляя решения биологических проблем, которые в противном случае могли бы оставаться скрытыми для глаз.
