Un modèle informatique tout atome d'enveloppe de coronavirus est en cours de développement par le laboratoire Amaro de l'UC San Diego sur le supercalculateur Frontera financé par la NSF de TACC à UT Austin. La biochimiste Rommie Amaro espère s'appuyer sur son récent succès avec des simulations du virus de la grippe tout-atome (à gauche) et les appliquer au coronavirus (à droite). Crédit :Lorenzo Casalino (UCSD), TACC
Les scientifiques préparent un modèle informatique massif du coronavirus qui, selon eux, donnera un aperçu de la façon dont il infecte le corps. Ils ont fait les premiers pas, tester les premières parties du modèle et optimiser le code sur le supercalculateur Frontera de l'Université du Texas au Texas Advanced Computing Center (TACC) d'Austin. Les connaissances acquises grâce au modèle complet peuvent aider les chercheurs à concevoir de nouveaux médicaments et vaccins pour lutter contre le coronavirus.
Rommie Amaro dirige les efforts pour construire le premier modèle complet tout-atome de l'enveloppe du coronavirus SARS-COV-2, sa composante extérieure. "Si nous avons un bon modèle pour ce à quoi ressemble l'extérieur de la particule et comment elle se comporte, nous allons avoir une bonne vue des différents composants impliqués dans la reconnaissance moléculaire. » La reconnaissance moléculaire implique la façon dont le virus interagit avec les récepteurs de l'enzyme de conversion de l'angiotensine 2 (ACE2) et éventuellement d'autres cibles au sein de la membrane de la cellule hôte. Amaro est professeur de chimie et de biochimie à l'Université de Californie, San Diego.
Le modèle de coronavirus devrait contenir environ 200 millions d'atomes par Amaro, une entreprise de taille, car l'interaction de chaque atome entre eux doit être calculée. Le flux de travail de son équipe est hybride, ou approche de modélisation intégrative.
« Nous essayons de combiner des données à différentes résolutions dans un modèle cohérent qui peut être simulé sur des installations de premier plan comme Frontera, " A déclaré Amaro. "Nous commençons essentiellement par les composants individuels, où leurs structures ont été résolues à une résolution atomique ou proche de l'atome. Nous mettons soigneusement chacun de ces composants en service et dans un état où ils sont stables. Ensuite, nous pouvons les introduire dans les simulations d'enveloppes plus grandes avec des molécules voisines."
La protéine de pointe SARS-CoV-2 du coronavirus a été simulée par le Romaro Lab de l'UC San Diego sur le supercalculateur Frontera financé par la NSF de TACC à UT Austin. C'est la principale protéine virale impliquée dans l'infection par le coronavirus de la cellule hôte. Les simulations de dynamique moléculaire basées sur la physique peuvent prédire comment la machine moléculaire du coronavirus se déplace, qui permet aux chercheurs de mieux comprendre ses vulnérabilités aux vaccins et médicaments potentiels. Tête de pointe de coronavirus basée sur pdb 6vsb; tige de pointe en utilisant la modélisation d'homologie; glycoprofile conçu selon Walls et al. Cellule 2019, et Watanabe et al. 2020 bioRxiv. Crédit :Rommie Amaro, UCSD
Les 12 et 13 mars, 2020, le laboratoire Amaro a effectué des simulations de dynamique moléculaire sur jusqu'à 4, 000 nœuds, ou environ 250, 000 cœurs de traitement, sur Frontera. Frontera, le 5ème supercalculateur au monde et le 1er supercalculateur académique selon le classement de novembre 2019 de l'organisation Top500, est le système informatique haute performance de classe leader soutenu par la National Science Foundation.
"Des simulations de cette taille ne peuvent être exécutées que sur une machine comme Frontera ou sur une machine éventuellement au ministère de l'Énergie, " a déclaré Amaro. "Nous avons immédiatement contacté l'équipe Frontera, et ils ont été très aimables en nous donnant un statut prioritaire pour l'analyse comparative et en essayant d'optimiser le code afin que ces simulations puissent fonctionner aussi efficacement que possible, une fois que le système est réellement opérationnel."
"C'est passionnant de travailler sur l'une de ces toutes nouvelles machines, avec certitude. Notre expérience jusqu'à présent a été très bonne. Les repères initiaux ont été vraiment impressionnants pour ce système. Nous allons continuer à optimiser les codes de ces systèmes ultra-larges afin d'obtenir à terme des performances encore meilleures. Je dirais que travailler avec l'équipe de Frontera a également été fantastique. Ils sont prêts à aider et ont été extrêmement réactifs pendant cette période critique. C'est une expérience très positive, " a dit Amaro.
"TACC est fier de soutenir cette recherche critique et révolutionnaire, " a déclaré Dan Stanzione, Directeur exécutif de TACC et chercheur principal du projet de superordinateur Frontera. "Nous continuerons à soutenir les simulations d'Amaro et d'autres travaux importants liés à la compréhension et à la recherche d'un moyen de vaincre cette nouvelle menace."
Le supercalculateur Frontera financé par la NSF du Texas Advanced Computing Center de l'UT Austin est classé n°5 le plus rapide au monde et n°1 pour les systèmes universitaires. selon le classement Top500 de novembre 2019. Crédit :TACC
Le travail d'Amaro avec le coronavirus s'appuie sur son succès avec une simulation tout-atome de l'enveloppe du virus de la grippe, Publié dans ACS Science centrale , Février 2020. Elle a déclaré que les travaux sur la grippe auront un nombre remarquable de similitudes avec ce qu'ils poursuivent actuellement avec le coronavirus.
« C'est un test brillant de nos méthodes et de nos capacités à nous adapter à de nouvelles données et à les mettre en service immédiatement, " a déclaré Amaro. " Il nous a fallu un an ou plus pour construire l'enveloppe virale de la grippe et la mettre en place et la faire fonctionner sur les superordinateurs nationaux. Pour la grippe, nous avons utilisé le supercalculateur Blue Waters, qui était en quelque sorte le prédécesseur de Frontera. L'oeuvre, cependant, avec le coronavirus va évidemment beaucoup, rythme beaucoup plus rapide. Ceci est activé, en partie à cause du travail que nous avons fait sur Blue Waters plus tôt."
Amaro a déclaré:"Ces simulations nous donneront de nouvelles informations sur les différentes parties du coronavirus qui sont nécessaires à l'infectiosité. Et pourquoi nous nous en soucions, c'est parce que si nous pouvons comprendre ces différentes caractéristiques, les scientifiques ont une meilleure chance de concevoir de nouveaux médicaments; pour comprendre comment fonctionnent les médicaments actuels et les combinaisons potentielles de médicaments. Les informations que nous obtenons de ces simulations sont multiformes et multidimensionnelles et seront utiles aux scientifiques de première ligne dans l'immédiat et à plus long terme. Espérons que le public comprendra qu'il existe de nombreuses composantes et facettes différentes de la science à faire avancer pour comprendre ce virus. Ces simulations sur Frontera ne sont qu'un de ces composants, mais j'espère qu'elle est importante et rémunératrice."
