Predvođen teoretičarem Univerziteta u Melburnu i stručnjakom za HPC vanredni profesor Giuseppe Barca, istraživački tim je postigao prvu kvantnu simulaciju bioloških sistema u razmeri neophodnoj za precizno modeliranje performansi leka.
Koristeći neviđenu „ekzaskalinu“ moć Frontier superkompjutera u Oak Ridge Leadership Computing Faciliti u Tenesiju, SAD, tim je razvio revolucionarni softver sposoban da precizno predvidi hemijske reakcije i fizička svojstva molekularnih sistema koji se sastoje od stotina hiljada atoma. —pružanje veoma preciznih predviđanja molekularnog ponašanja i postavljanje novog merila u računarskoj hemiji.
Projekat je spojio ekspertizu u hemiji, otkrivanju lekova, kvantnoj mehanici i superkompjuterstvu, a na projektu sarađuju Oak Ridge National Laboratori, vodeća poluprovodnička kompanija AMD i deep-tech startup KDKS.
Rezultat više od četiri godine rekordnog istraživanja, ovaj napredak omogućava proučavanje sistema biomolekularnih razmera sa preciznošću na kvantnom nivou po prvi put ikada.
Ova vrhunska sposobnost simulacije omogućava posmatranje i razumevanje ovih sistema sa neviđenim detaljima, što je ključno za poboljšanje evaluacije tradicionalnih lekova i dizajniranje novih terapeutika koji efikasnije deluju sa ciljnim biološkim sistemima.
„Ovaj proboj nam omogućava da simuliramo ponašanje leka sa tačnošću koja se može suprotstaviti fizičkim eksperimentima. Sada možemo da posmatramo ne samo kretanje leka, već i njegove kvantno-mehaničke osobine, kao što su prekid i formiranje veze, tokom vremena u biološkom sistemu. Ovo je od vitalnog značaja za procenu održivosti leka i dizajniranje novih tretmana“, rekao je vanredni profesor Barca.
Danas se preko 80% proteina koji izazivaju bolesti ne može lečiti postojećim lekovima, a samo 2% radi sa poznatim lekovima. Ovo pokazuje koliko su trenutne metode ograničene.
Napredna kvantna mehanika i HPC proširuju skup računarskih alata za otkrivanje lekova, obezbeđujući nivoe brzine i tačnosti bez presedana na biološki relevantnoj skali.
Važno je da oni takođe pružaju uvid i mogućnosti koje ranije nisu bile moguće sa tradicionalnom računarskom hemijom za otključavanje novih načina modulacije ciljeva od terapeutskog interesa i proširenje broja ciljeva bolesti za koje su dostupne efikasne terapije.
Simulacije izračunavaju afinitet molekula leka za određenu metu, kao što je genetski mutirani protein koji izaziva bolest. Algoritmi zatim izračunavaju efikasnost leka tako što procenjuju snagu veze između leka i mete, pokazujući moć leka. Da bi se lek efikasno testirao kroz kvantnu simulaciju, sistem biološkog modela mora da integriše hiljade atoma.
„Upravo zbog toga smo izgradili Frontier, kako bismo se pozabavili većim, složenijim problemima sa kojima se društvo suočava“, rekao je Dmitro Bikov, računarski hemičar u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridž. „Razbijanjem egzaskalne barijere, ove simulacije guraju naše računarske sposobnosti u potpuno novi svet mogućnosti sa neviđenim nivoima sofisticiranosti i radikalno bržim vremenom do rešenja — a ovo je samo početak ere egzaskala.“
Dr Jakub Kurzak, glavni član tehničkog osoblja u AMD-u i predstavnik za AMD u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridž, rekao je: „Oduševljeni smo što vidimo da AMD-ove računarske tehnologije visokih performansi omogućavaju proboj ekascale nauke u medicinskim istraživanjima i isporučuju performanse računara za precizno modeliranje veoma složena fizika molekularnih sistema za otkrivanje lekova.“
Loong Vang, suosnivač i izvršni direktor KDKS-a, rekao je: „U KDKS-u smo neverovatno uzbuđeni da transformišemo revolucionarna naučna dostignuća u moćnu platformu prilagođenu korisniku koja ubrzava i poboljšava otkrivanje lekova, otvarajući vrata inovativnim tretmanima. Naš napredni kvantni simulacije su postavile novi standard za tačnost na biološki relevantnoj skali.
„Nadamo se da će ova tehnologija omogućiti da se novi lekovi razvijaju brže i jeftinije, kao i za bolesti koje su – do sada – bile preteške za lečenje.
Vanrednog profesora Barku, sa sedištem u Školi za računarstvo i informacione sisteme Fakulteta za inženjerstvo i informacione tehnologije, The Australian je nominovao za jednog od 250 najboljih istraživača Australije 2024.
Godine 2023. on je suosnivač kompanije KDKS, koja već koristi kvantne simulacije visokih performansi kako bi ubrzala novi terapijski dizajn. KDKS je obezbedio komercijalne poslove sa farmaceutskim kompanijama i tehnološkim start-up-ovima u Australiji, Singapuru i SAD.
„Zahvaljujući novim računarskim i softverskim mogućnostima koje omogućavaju precizno modeliranje na kvantnom mehaničkom nivou, možemo postići prediktivnu tačnost blisku eksperimentalnim rezultatima. Ovi proračuni su bili potpuno neizvodljivi pre samo nekoliko godina“, rekao je vanredni profesor Barka.
