Las nuevas simulaciones pueden ayudar a los investigadores a diseñar nuevos fármacos y vacunas para combatir el coronavirus.
Los científicos están preparando un modelo computarizado masivo del coronavirus, que esperan que dé una idea de cómo se infecta en el cuerpo. Han dado los primeros pasos, probando las primeras partes del modelo y optimizando el código en la supercomputadora Frontera del Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) de la Universidad de Texas en Austin. El conocimiento obtenido del modelo completo puede ayudar a los investigadores a diseñar nuevas drogas y vacunas para combatir el coronavirus.
Rommie Amaro está liderando los esfuerzos para construir el primer modelo completo de la envoltura del coronavirus del SARS-COV-2, su componente exterior. «Si tenemos un buen modelo de cómo es el exterior de la partícula y cómo se comporta, vamos a tener una buena visión de los diferentes componentes que están involucrados en el reconocimiento molecular». El reconocimiento molecular implica ver cómo interactúa el virus con los receptores de la enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2) y posiblemente con otros objetivos dentro de la membrana de la célula anfitriona.
El modelo de coronavirus anticipado por Amaro contiene aproximadamente 200 millones de átomos, una tarea desalentadora, ya que la interacción de cada átomo con los demás tiene que ser computada. El flujo de trabajo de su equipo toma un enfoque de modelado híbrido o integrador.
«Estamos tratando de combinar datos a diferentes resoluciones en un modelo cohesivo que puede ser simulado en instalaciones de primera clase como Frontera», dijo Amaro. «Básicamente comenzamos con los componentes individuales, donde sus estructuras han sido resueltas a resolución atómica o casi atómica. Cuidadosamente ponemos cada uno de estos componentes en funcionamiento y en un estado en el que son estables. Luego podemos introducirlos en las simulaciones de la gran envoltura con las moléculas vecinas».
El 12 y 13 de marzo de 2020, el Laboratorio Amaro realizó simulaciones de dinámica molecular en hasta 4.000 nodos, o unos 250.000 núcleos de procesamiento, en Frontera. Frontera, la supercomputadora número 5 en el mundo y la supercomputadora académica número 1 según las clasificaciones de noviembre de 2019 de la organización Top500, es el sistema de computación de alto rendimiento de primera clase apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias.
«Simulaciones de ese tamaño sólo son posibles de ejecutar en una máquina como Frontera o en otra posiblemente en el Departamento de Energía», dijo Amaro. «Inmediatamente nos pusimos en contacto con el equipo de Frontera, y han sido muy amables al darnos prioridad para la evaluación comparativa y tratar de optimizar el código para que estas simulaciones puedan funcionar lo más eficientemente posible, una vez que el sistema esté realmente en funcionamiento».
«Es estimulante trabajar en una de estas nuevas máquinas, seguro. Nuestra experiencia hasta ahora ha sido muy buena. Los puntos de referencia iniciales han sido realmente impresionantes para este sistema. Vamos a continuar optimizando los códigos para estos sistemas ultra grandes para que finalmente podamos obtener un rendimiento aún mejor.
El trabajo de Amaro con el coronavirus se basa en su éxito con una simulación de la envoltura del virus de la gripe, publicada en ACS Central Science, febrero de 2020. Dijo que el trabajo con la gripe tendrá un notable número de similitudes con lo que ahora están persiguiendo con el coronavirus.
«Es una prueba brillante de nuestros métodos y nuestras habilidades para adaptarnos a nuevos datos y para poner esto en marcha de inmediato», dijo Amaro. «Nos llevó un año o más construir la envoltura viral de la gripe y ponerla en funcionamiento en las supercomputadoras nacionales. Para la gripe, usamos la supercomputadora Blue Waters, que fue en cierto modo la predecesora de Frontera. El trabajo, sin embargo, con el coronavirus obviamente está avanzando a un ritmo mucho, mucho más rápido. Esto es posible, en parte debido al trabajo que hicimos antes en Aguas Azules».
Dijo Amaro: «Estas simulaciones nos darán nuevos conocimientos sobre las diferentes partes del coronavirus que se requieren para la infectividad. Y la razón por la que nos preocupamos por eso es porque, si podemos entender estas diferentes características, los científicos tienen una oportunidad mayor para diseñar nuevos medicamentos; para entender cómo funcionan los medicamentos actuales y las potenciales combinaciones de medicamentos. La información que obtenemos de estas simulaciones es multifacética y multidimensional y será de utilidad para los científicos en primera línea inmediatamente y también a largo plazo. Esperemos que el público entienda que hay muchos componentes y facetas diferentes de la ciencia para avanzar en la comprensión de este virus. Estas simulaciones en Frontera son sólo uno de esos componentes, pero esperamos que sean importantes y provechosas».
Fte. EurekAlert (University of Texas At Austin, Texas Advanced Computing Center)
Rommie E. Amaro es profesora de química y bioquímica y directora del National Biomedical Computation Resource de la Universidad de California en San Diego. Su investigación se centra en el desarrollo de métodos computacionales en biofísica para aplicaciones al descubrimiento de fármacos.
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