Wetenschappers bereiden een enorm computermodel van het coronavirus voor waarvan ze verwachten dat het inzicht zal geven in hoe het in het lichaam infecteert. Ze hebben de eerste stappen gezet, het testen van de eerste delen van het model en het optimaliseren van de code op de Frontera-supercomputer aan de Universiteit van Texas in Austin's Texas Advanced Computing Center (TACC). De kennis die is opgedaan met het volledige model kan onderzoekers helpen bij het ontwerpen van nieuwe medicijnen en vaccins om het coronavirus te bestrijden.

Rommie Amaro leidt de inspanningen om het eerste volledige volledig atoommodel van de SARS-COV-2-coronavirusenvelop te bouwen, zijn uitwendige component. "Als we een goed model hebben voor hoe de buitenkant van het deeltje eruitziet en hoe het zich gedraagt, we gaan een goed beeld krijgen van de verschillende componenten die betrokken zijn bij moleculaire herkenning. "Moleculaire herkenning houdt in hoe het virus interageert met de angiotensine converting enzyme 2 (ACE2) -receptoren en mogelijk andere doelen in het gastheercelmembraan. Amaro is een professor in de chemie en biochemie aan de Universiteit van Californië, San Diego.

Amaro verwacht dat het coronavirusmodel ongeveer 200 miljoen atomen zal bevatten. een ontmoedigende onderneming, omdat de interactie van elk atoom met elkaar moet worden berekend. De workflow van haar team neemt een hybride, of integratieve modelleringsbenadering.

"We proberen gegevens met verschillende resoluties te combineren tot één samenhangend model dat kan worden gesimuleerd op faciliteiten van leiderschapsklasse zoals Frontera, "Zei Amaro. "We beginnen in principe met de afzonderlijke componenten, waar hun structuren zijn opgelost op atomaire of bijna atomaire resolutie. We brengen elk van deze componenten zorgvuldig in gebruik en in een staat waarin ze stabiel zijn. Dan kunnen we ze introduceren in de grotere envelopsimulaties met naburige moleculen."

Op 12-13 maart, 2020, het Amaro Lab heeft moleculaire dynamica-simulaties uitgevoerd op maximaal 4, 000 knooppunten, of ongeveer 250, 000 verwerkingskernen, op Frontera. Frontera, de #5 beste supercomputer ter wereld en de #1 academische supercomputer volgens de ranglijst van november 2019 van de Top500-organisatie, is het high-performance computersysteem van leiderschapsklasse dat wordt ondersteund door de National Science Foundation.

"Simulaties van die omvang zijn alleen mogelijk om te draaien op een machine als Frontera of op een machine mogelijk bij het ministerie van Energie, "Zei Amaro. "We hebben meteen contact opgenomen met het Frontera-team, en ze zijn erg vriendelijk geweest door ons de prioriteitsstatus te geven voor benchmarking en om de code te optimaliseren zodat deze simulaties zo efficiënt mogelijk kunnen worden uitgevoerd, zodra het systeem daadwerkelijk in gebruik is."

"Het is spannend om aan een van deze gloednieuwe machines te werken, zeker. Onze ervaring tot nu toe is zeer goed. De eerste benchmarks waren echt indrukwekkend voor dit systeem. We gaan door met het optimaliseren van de codes voor deze ultragrote systemen, zodat we uiteindelijk nog betere prestaties kunnen behalen. Ik zou zeggen dat het ook fantastisch was om met het team van Frontera samen te werken. Ze staan ​​klaar om te helpen en zijn uiterst responsief geweest tijdens dit kritieke tijdvenster. Het is een zeer positieve ervaring geweest, ' zei Amaro.

"TACC is er trots op dit kritische en baanbrekende onderzoek te ondersteunen, " zei Dan Stanzione, Uitvoerend directeur van TACC en hoofdonderzoeker van het Frontera-supercomputerproject. "We zullen Amaro's simulaties en ander belangrijk werk blijven ondersteunen met betrekking tot het begrijpen en vinden van een manier om deze nieuwe dreiging te verslaan."

Amaro's werk met het coronavirus bouwt voort op haar succes met een all-atom-simulatie van de envelop van het griepvirus, gepubliceerd in ACS Centrale Wetenschap , Februari 2020. Ze zei dat het griepwerk opmerkelijk veel overeenkomsten zal hebben met wat ze nu nastreven met het coronavirus.

"Het is een briljante test van onze methoden en ons vermogen om ons aan te passen aan nieuwe gegevens en om dit meteen aan de gang te krijgen, " Zei Amaro. "Het kostte ons een jaar of meer om de griepvirusenvelop te bouwen en deze op de nationale supercomputers in gebruik te nemen. Voor griep, we gebruikten de Blue Waters-supercomputer, die in sommige opzichten de voorloper van Frontera was. Het werk, echter, met het coronavirus verloopt uiteraard veel, veel sneller tempo. Dit is ingeschakeld, deels vanwege het werk dat we eerder aan Blue Waters hebben gedaan."

Zei Amaro:"Deze simulaties zullen ons nieuwe inzichten geven in de verschillende delen van het coronavirus die nodig zijn voor besmettelijkheid. En waarom we daar om geven is, want als we deze verschillende kenmerken kunnen begrijpen, wetenschappers hebben een betere kans om nieuwe medicijnen te ontwerpen; om te begrijpen hoe huidige medicijnen werken en mogelijke medicijncombinaties werken. De informatie die we uit deze simulaties halen is veelzijdig en multidimensionaal en zal direct en ook op langere termijn bruikbaar zijn voor wetenschappers in de frontlinie. Hopelijk zal het publiek begrijpen dat er veel verschillende componenten en facetten van de wetenschap zijn om door te gaan om dit virus te begrijpen. Deze simulaties op Frontera zijn slechts een van die componenten, maar hopelijk een belangrijke en een winstgevende."