【算力 = 500 台超級電腦】研究人員集結百萬台電腦算力,解析新冠病毒的蛋白質結構

【為什麼我們要挑選這篇文章】為了找到抗疫解方,有人開啟「[email protected]」專案,收集閒置的個人電腦算力,解析新冠病毒蛋白質結構。目前已有一百萬人參加,貢獻的運算力相當於 500 台超級電腦,展現全球人類齊心抗疫的團結。(責任編輯:郭家宏)

如果你被隔離在家,陪伴你的只有一台電腦,你會做什麼?

打遊戲、看劇或是在線吃瓜?

也許幫助抗擊新冠疫情會更有意義一些,透過一個叫做 [email protected] 的專案,你可以利用自己個人電腦的空閒運算資源,幫助預測 SARS-CoV-2 蛋白質的 3D 形狀,為尋找可以治療這種疾病的藥物出一份力。

[email protected] 傳送門

文摘菌(本文作者)也去助力了一把,下載軟體安裝之後,就是一個簡潔的頁面,可以選擇你支持的研究,文摘菌選擇的是 COVID-19,也可以選擇助力的程度,選擇 Medium 基本不影響電腦使用,但是選擇 Full 會讓電腦有點卡。

「摺疊蛋白」隱藏抗疫關鍵,但需要龐大算力支援運算

早在 1977 年,生物學家 Jean 和 Peter Medawar 就提出病毒「只是包裹在蛋白質中的一條遺傳資訊」,病毒必須感染進入活細胞才能進行複製和傳播。

[email protected] 的研究人員 Greg Bowman 表示,SARS-CoV-2 病毒的蛋白質主要用來抑制我們的免疫系統和自我繁殖,為了幫助對付 SARS-CoV-2 病毒,我們需要了解這些病毒蛋白是如何工作的,以及我們如何設計治療方法。

那普通人如何能幫助了解蛋白質呢?

首先我們要知道,蛋白質是由一系列被稱為胺基酸的化學物質組成的,在多數情況下,這些化學物質會自發地「摺疊」成緊密的功能性結構,就像一台機器一樣,決定蛋白質功能的是蛋白質成分的排列和移動方式。

確定蛋白質結構的實驗方法很多,但它們一般只能揭示蛋白質通常形狀的一個特定時刻的形狀,但是蛋白質一般是運動的狀態,在實驗方法中錯失的結構可能是發現新療法的關鍵。

就像橄欖球比賽一樣,一般的實驗只能看到剛開場是球員擺列整齊的狀態,而我們需要了解的是整個比賽中所有人的運動狀態。

這時候電腦模擬就上場了,我們可以透過電腦模擬來理解蛋白質的運動。電腦模擬蛋白質結構的過程就被稱為「摺疊蛋白」,但是這個計算量是巨大的,蛋白質可以在每個胺基酸之間扭曲和彎曲,所以一個含有數百個胺基酸的蛋白質有可能具有數量驚人的不同結構:數量級是 1 後面跟著 300 個零。

超級電腦也很難進行這樣的運算,於是 [email protected] 就發起了針對 SARS-CoV-2 蛋白質的分散式計算項目,普通人在家中可以將自己個人電腦的計算資源貢獻出來,幫助進行「摺疊蛋白」的模擬。

目前已有一百萬人參加,運算能力等於 500 台超級電腦

該專案如今已得到超過 100 萬人的響應,根據運作該分散式計算工作的團隊 [email protected] 的說法,3 月 25 日,該電腦的網絡聯合計算能力就達到了每秒操作 1,000,000,000,000,000,000 次,即 1 百億億次。

這使其功能比目前世界上最快的傳統超級計算機 IBM Summit 還強大了六倍,到了上週一,該項目的計算能力又翻了一倍還多,刷新了 2.4 百億億次的新記錄,比前 500 台傳統超級電腦的總和還快。

這反映了全球的志願者們對 [email protected] 專案的巨大支持,大家只要用電腦下載運行一個簡單的軟體,就可以在家完成一些小任務來幫助確定蛋白質的 3D 物理結構。

軟體 下載地址

了解蛋白質結構,將有助於開發抑制藥物

透過對蛋白質運動結構的模擬,可以尋找蛋白潛在的「藥物結合點」,從而開發出可以抑制病毒蛋白質的藥物。

[email protected] 的最新研究中,他們模擬了一種來自伊波拉病毒的蛋白質,這種蛋白質通常被認為是「不可受藥」的,因為實驗中的蛋白質狀態沒有明顯的可藥物位點。

伊波拉病毒蛋白質的實驗結構沒有明顯的藥物作用位點(球狀的原子間沒有深的「口袋」)

但是,[email protected] 透過電腦模擬發現了另一種結構,確實有一個可藥物的點。重要的是,研究人員隨後進行了實驗,證實了我們的計算預測,目前他們正在尋找與這個新發現的結合位點相結合的藥物。

現在對於 SARS-CoV-2 研究的目的也是如此。

現在,這項研究已經得到了初步回報。Greg Bowman 說,他們的其中一項工作就是持續關注 SARS-CoV-2 用於入侵人類細胞的「刺突蛋白」,刺突必須經過劇烈的張口運動才能揭開細胞表層,最終與人類細胞進行結合,了解刺突究竟是如何打開的,這會非常有用,畢竟治療過程中的每一個步驟都可能是針對性治療。

「然而,至少以現有的實驗技術,我們還無法觀察到刺突是如何發生這種變化的,刺突張口狀態的數據也很有限。」但是僅僅幾個星期之後,這個團隊就透過該專案建立出一個仿真模型,模擬了刺突張開「嘴巴」的第一階段。

共享分散式計算能量被比特幣挖礦瓜分

用強大的計算力對蛋白質的結構進行模擬顯然是一個非常有意義的專案,而號召全球的志願者共享出自己的個人電腦,更是彰顯了人類在抗擊疫情中的團結合作。

但是這樣專案的生存空間卻因為「挖礦」而越來越小。

比特幣和加密貨幣的興起抑制了 [email protected] 和類似專案的發展,畢竟「挖礦」為空閒的個人電腦資源提供了另一種不那麼無私的用途:「開採比特幣」就可以賺到真正的錢。

就在 [email protected] 發佈 COVID-19 相關新任務的前不久,分散式計算工作的先驅專案 [email protected] 被關閉。

自 1999 年以來,[email protected] 一直向世界各地的電腦發送射電望遠鏡數據,然後對這些數據進行分析,從而尋找外星生命的跡象。但是上個月,研究人員關閉了該計劃。

[email protected] 的組織者說:「管理數據的分散式處理對我們來說是個很麻煩的工作。我們現在需要集中精力對已有結果進行後端分析,然後發佈在科學期刊中。」

(本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈百万人贡献 PC 共同分析新冠“折叠蛋白”,算力=500 台超级计算机 〉。首圖來源:Piqsels CC Licensed

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