Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • TechWeek
  • Биомолтекст2020
  • vsh25

Суперкомьпютеры для биомедицины и фармакологии

Биопомощь от техников
Intel рассказала об итогах совместной научной программы с МФТИ

Георгий Пуляевский, «Эксперт Online»

Всегда приятно осознавать,что различные технологические корпорации всерьез заинтересованы в развитии научных дисциплин. И становится приятно вдвойне, когда их совместные проекты различных институтов и корпораций проходят буквально под боком.

Сегодня компания Intel и Московский физико-технический институт (МФТИ) подвели итоги работы лаборатории суперкомпьютерных технологий для биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур I-SCALARE (Intel super computer applications laboratory for advanced research) за три года.

Эта лаборатория на базе МФТИ была создана в 2010 году в рамках гранта Министерства образования и науки РФ при участии сотрудников института и корпорации Intel. Руководство лабораторией осуществляет д.т.н. Владимир Пентковский, известный разработчик программно-аппаратных архитектур, заслуженный исследователь Intel. Основным направлением деятельности лаборатории является разработка проблемно-ориентированных архитектур вычислительных систем для задач биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур.

В качестве «целевых» были выбраны несколько прикладных вычислительных задач, связанных с моделированием вирусов, клеточных мембран, а также взаимодействия белков и внешних полей с клеточными мембранами. Все они, с одной стороны, имеют большую практическую ценность, а с другой – не могут быть решены на имеющихся вычислительных ресурсах и требуют новых подходов к архитектуре кластеров. Для проведения широкого спектра исследований в рамках деятельности лаборатории используется инновационный и энергоэффективный суперкомпьютер на базе высокопроизводительных серверных процессоров Intel Xeon E5-2690, разработанный и установленный специалистами группы компаний РСК. Использование старших моделей процессоров семейства Intel Xeon E5-2600 стало возможным благодаря применению передовой технологии жидкостного охлаждения, лежащей в основе архитектуры «РСК Торнадо».

Пиковая производительность суперкомпьютера на данный момент составляет 83,14 TFLOPS при занимаемой площади менее чем 4 кв. м. Кластер состоит из двух вычислительных стоек, содержащих в сумме 224 вычислительных узла на базе серверных плат Intel S2600JF и двух процессоров Intel Xeon E5-2690 в каждом (всего 448 процессоров, 3584 ядра). При этом обеспечивается поддержка большого объема оперативной памяти на один узел – 64 Гб, что суммарно составляет 14,3 ТБ ОЗУ для всей системы. Коммуникационная сеть построена на базе высокоскоростного интерфейса Infiniband QDR.

Расширение вычислительного кластера проводилось в три этапа, причем на каждом из них архитектура вычислительной системы создавалась собственной группой лаборатории, отвечающей за разработку программных и аналитических моделей будущих вычислительных комплексов с последующим изучением их производительности на приложениях, решающих задачи молекулярной динамики. На текущий момент специалисты лаборатории успешно проводят моделирование систем, в 10 раз превышающих мощность установленного кластера, то есть имеющих производительность до 830 TFLOPS, используя инструментарий Wind River Simics, Intel VTune Amplifier, а также технологии, разработанные в лаборатории.

Так, группа под руководством профессора Романа Ефремова из Института биоорганической химии РАН использует вычислительный кластер в МФТИ для исследований структуры и динамики белок-мембранных систем и конструирования нового класса антимикробных соединений на основе природных лантибиотиков – (исполнители А. Чугунов, Д. Нольде, Д. Пыркова, А. Полянский). В ходе развития данного проекта, проведения расчетов и моделирования получены микросекундные траектории молекулярной динамики (МД) мишени действия антибиотиков – молекулы липида-II – в мембране бактерий.

(Лантибиотики – это полипептиды, синтезируемые безвредными бактериями и имеющие широкий спектр действия против патогенных микроорганизмов – ВМ.)

Модернизация суперкомпьютера позволила проводить более масштабные вычислительные эксперименты, увеличив размеры систем в 10 раз, а длительность траекторий молекулярной динамики – в 20 раз. Учеными было проведено детальное моделирование взаимодействия лантибиотиков с липидом-II в мембране и впервые установлено, что молекула-мишень (липид-II) создает в мембране бактерий специфический паттерн, эффективно распознаваемый спроектированными «ловушками» – потенциальными антибиотиками. В результате таких исследований была предложена атомистическая модель связывания «ловушка-мишень» – основа дальнейшего рационального дизайна новых антибиотиков. Данных результатов удалось добиться, осуществив анализ больших (до 2,2x105 атомов) систем на длительных (до 1 мкс) траекториях молекулярной динамики.

Также благодаря значительным вычислительным возможностям кластера лаборатории I-SCALARE группе, возглавляемой академиком Николаем Зефировым и ведущим научным сотрудником, к.х.н. Владимиром Палюлиным, удалось выполнить пионерские работы в двух областях – моделирование оболочки флавивирусов (исполнители Д. Осолодкин, Е. Дуева) и молекулярная динамика важнейшего нейрорецептора NMDA (Е. Радченко, Д. Карлов).

Идея подпроекта по моделированию оболочки флавивирусов заключается в применении метода молекулярной динамики к системам, содержащим десятки миллионов атомов. Флавивирусы – это оболочечные вирусы, вызывающие такие заболевания, как клещевой энцефалит и лихорадки Западного Нила и Денге. Процесс проникновения флавивирусов в клетку человека сопряжен со значительной структурной перестройкой белков оболочки. Одной из задач лаборатории является моделирование этого процесса в полноатомном масштабе. Моделирование систем такого размера с использованием современных вычислительных средств пока является крайне обременительным, но вычислители следующего поколения должны быть способны адекватно работать с ними. К настоящему времени на суперкомпьютере лаборатории I-SCALARE выполнено моделирование молекулярной динамики мембраны вирусной частицы, состоящей из 1,5 млн атомов. На основе моделирования белков оболочки вируса предложены вещества, обладающие противовирусной активностью по отношению к вирусу клещевого энцефалита (биологические испытания проведены в ФГБУ «Институт полиомиелита и вирусных энцефалитов им. М.П. Чумакова» РАМН).

Помимо этих замечательных и важных научных открытий стоит отметить и тот факт, что лаборатория I-SCALARE осуществляет не только научную, но и учебную деятельность. Ее сотрудниками был разработан учебный курс по использованию симуляторов для моделирования различных вычислительных систем. Кроме того, в лаборатории регулярно проводятся научные семинары, а Владимир Пентковский стал научным руководителем нескольких аспирантов и студентов МФТИ.

«Корпорация Intel активно сотрудничает с российскими вузами в сфере научных исследований. В частности, Intel является базовой организацией для факультета радиотехники и кибернетики МФТИ, и совместный проект по созданию лаборатории I-SCALARE с выделенным государственным финансированием стал логическим продолжением нашего сотрудничества, – подытожил Камиль Исаев, генеральный директор по исследованиям и разработкам корпорации Intel в России. – Благодаря совместной деятельности сотрудников МФТИ, Intel, РСК и российских ученых за три года работы лаборатория достигла существенных результатов в области исследования и разработки программно-аппаратных архитектур и решения биомедикофармацевтических задач».

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
17.12.2012

Читать статьи по темам:

биоинформатика биомедицина биофармацевтика компьютеры разработка препаратов Версия для печати
Ошибка в тексте?
Выдели ее и нажми ctrl + enter
назад

Читать также:

Суперкомпьютер для биомедицины

Лаборатория суперкомпьютерных технологий для биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур I-SCALARE представила новые результаты исследований в области биоинформатики и моделирования лекарственных препаратов.

читать

Биотехнологи и фармацевты! Вас ждут в «Сколково»!

«Сколково» будет поддерживать исследования в области биомедицины, фармакологии, биоэнергетики, промышленных биотехнологий и биоинформатики.

читать

Медицина и математика

Важнейшей областью приложения математики в медицине является создание новых лекарственных средств.

читать

Поездка на IV съезд общества биохимиков и молекулярных биологов

Фонд «Вечная молодость» на IV съезде Общества биохимиков и молекулярных биологов в Новосибирске представляли руководитель научно-экспертного отдела и его заместитель.

читать

Хард и софт для персонализированной медицины

Переход с продажи софта на «железо» с предустановленным комплексом программ объясняется прежде всего тем, что медицинские учреждения не в состоянии поддерживать необходимый по регуляторным документам уровень защиты данных.

читать

Ученые заявили, что выяснили функции 80 процентов генома человека

Это открытие достойно того, чтобы называться эпохальным, но действительно ли ученые открыли именно то, о чем сообщается в пресс-релизах?

читать