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    地球最快超算:篩選出77種可能成為新冠藥物分子

      [  中關村在線 原創  ]   作者:王征   |  責編:王征

    如果您仔細看西藥的說明書,會發現有效成分就是一個分子。那么如何找到適合治療某種疾病的分子呢?根據科學家估算,可能的有機物大約有10的60次冪之多,如何從無數的可能分子中找到潛在成為藥物的分子,成為今天計算機領域的前沿課題。超級計算機可以模擬分子在人體內復雜的生化過程,進而選出有希望成為藥物的分子,進行進一步的研究和實驗。

    美國能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員,已經使用了世界上最強大,最智能的超級計算機Summit來演算77種小分子藥物化合物,這些化合物可能需要進一步研究以對抗SARS-CoV-2冠狀病毒,用于COVID-19疾病暴發。兩位研究人員在Summit超級計算機上對8,000多種化合物進行了模擬,以篩選出最有可能與冠狀病毒主要“刺突”蛋白結合的化合物,從而使其無法感染宿主細胞。他們對可能在該病毒的實驗研究中有價值的感興趣的化合物進行了排名。研究者們在ChemRxiv上預發表了他們的結果。

    地球最快超算:篩選出77種可能成為新冠藥物分子
    美國能源部橡樹嶺國家實驗室的Summit超級計算機

    這個想法是出于對冠狀病毒進入宿主細胞的切入點的興趣而產生的。當研究人員對該病毒進行測序時,他們發現該病毒通過一種與嚴重急性呼吸系統綜合癥(SARS)相同的機制感染人體,該病毒在2003年SARS流行期間擴散到了26個國家。這兩種病毒的結構相似促進了對新病毒的研究。

    田納西大學州長兼UT / ORNL分子生物物理中心主任杰里米·史密斯(Jeremy C. Smith)的假設是,兩種病毒甚至可能以相同的方式“對接”至細胞。小組成員和UT / ORNL CMB博士后研究員Micholas Smith基于對該結構的早期研究,建立了冠狀病毒刺突蛋白(也稱為S蛋白)的模型。

    該化合物以灰色顯示,經計算可與以青色顯示的SARS-CoV-2刺突蛋白結合,以防止其與紫色顯示的人類血緊張素轉化酶2或ACE2受體對接。圖片來源:Micholas Smith /美國能源部橡樹嶺國家實驗室

    “我們能夠基于最近才在該病毒文獻上發表的信息來設計全面的計算模型,” Micholas Smith指的是一項研究發表在《中國生命科學》上的研究。在通過主任的全權分配分配給Summit的計算時間后,Micholas Smith使用了化學模擬代碼來進行分子動力學模擬,從而分析蛋白質中原子和粒子的運動。他模擬了對接于冠狀病毒S蛋白刺突的不同化合物,以確定它們中的任何一種是否都可以防止該刺突粘附在人類細胞上。

    Micholas Smith說:“使用Summit,我們根據一組與它們結合S蛋白峰值的可能性有關的標準對這些化合物進行了排名!毖芯啃〗M發現了77種小分子化合物,例如藥物和天然化合物,我們懷疑這些化合物可能對實驗測試有價值。在模擬中,這些化合物會結合到對人體細胞很重要的刺突區域,因此可能會干擾感染過程。在《科學》雜志上發布了高度精確的S蛋白模型后,研究小組計劃使用新版本的S蛋白再次快速運行計算研究,這可能會改變可能最常用的化學藥品的等級。研究人員強調必須對77種化合物進行實驗測試,然后才能確定其可用性。

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    能源部橡樹嶺實驗室,長期擁有世界最快超算

    “需要領導會議來迅速獲得我們所需的仿真結果。我們花了一兩天的時間,而在一臺普通超級計算機上要花上幾個月的時間,”杰里米·史密斯說。 “我們的結果并不意味著我們已經找到了治療新型冠狀病毒的方法。但是,我們非常希望,我們的計算結果將為將來的研究提供參考,并為實驗人員提供用于進一步研究這些化合物的框架。只有到那時,我們才知道它們中的任何一個是否都具有減輕這種病毒所需的特征!庇嬎阒蟊仨氝M行實驗。杰里米·史密斯(Jeremy Smith)說,計算篩選實質上是對有希望的實驗研究候選人“高亮”,這對于驗證某些化學物質能對抗病毒至關重要。使用諸如Summit之類的超級計算機對于快速獲得結果很重要。這項研究由實驗室指導研究與開發計劃資助,并使用了OLCF的資源,OLCF是位于ORNL的能源部科學用戶設施辦公室。

    由IBM建造的Summit超級計算機,95%的算力都來自nVidia的Volta GPU,這是Summit登頂Top500超算排行榜的關鍵。

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