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超算抗疫|超算加速药物筛选

2020-05-23

新冠肺炎疫情防控形势持续向好,生产生活秩序加速恢复。在这场生死时速的战疫中,科学技术是最有力的武器,科技创新是“硬核”力量。药物筛选、病毒溯源、疫苗研制,争分夺秒的背后,有超级计算机的身影,它成为了我们与病毒赛跑的“加速器”。

 

拿起药盒子,你也许会在说明书上发现,药物的有效成分就是一些分子。从成千上万种药物分子中发掘能与病毒蛋白发生作用、使之失活的有效分子是开发新药的基本步骤。

新冠肺炎的病毒是怎么进入我们体内并不断繁殖的?病毒外层的核壳衣蛋白与人体内细胞的结合是关键一步。要治疗新冠肺炎,就要“破坏”核壳衣蛋白与细胞的结合。合适的药物分子可以阻碍核壳衣蛋白与细胞结合。

据科学家估算,适合治病的分子大约有1060次幂之多,如果通过手动实验寻找阻碍病毒正常活动的化合物,需要数年才能完成。依托计算机进行高通量药物分子筛选是目前普遍采用的方式,能够显著提升药物筛选的速率,帮助研究人员对药物分子数据库中的药物进行初步筛选。

但是,药物分子数目繁多,要实现高精度的计算所需资源超乎想象。若用带有一张GPU卡的普通电脑,一天大约只能完成8-10个分子的计算。要找到使病毒失效的分子,至少需要几百万次的尝试,耗费长达数月的时间。传统计算平台并不具有药物筛选的优势。

超级计算在筛选药物分子这件事上,显然更在行。并行计算可以让药物筛选的时间大大缩短。若使用开源的VirtualFlow软件,16000CPU对接十亿个小分子只需要15小时,效率大大提升。在初步筛选出可能有效的药物分子后,还可以在超算平台上进一步实施分子动力学模拟,精细验证药物分子与病毒蛋白的作用机制,计算出哪些药物分子、怎样的分子浓度可以让病毒蛋白失活。不仅如此,在新药研发的过程中,通过计算验证新药物分子的作用机制,可以为药物开发和优化提供研究基础与科学参考,降低创新药物前期的研发成本与周期,把宝贵的实验资源留给最有可能成功的候选药物上。

在这次抗击疫情的过程中,国内外有不少科学家尝试从已有的药物中寻找治疗新冠肺炎的有效药物,因为研制新药会涉及后续大量的临床实验和药监局审批,远水救不了近火。老药新用和超级计算双管齐下,能让药物筛选高速进行。

深圳超算部署了药物开发平台,依托这个辅助药物设计的科技创新平台,科研人员可以完成靶点探寻,新药筛选,先导物及试验优化,药理毒理等研究工作。在这次战“疫”中,深圳超算向中山大学药学院、深圳大学高等研究院、中国科学院长春应用化学研究所等大学及科研院所免费提供了数亿机时用于药物筛选。

与此同时,深圳超算的科研团队也在验证药物氯喹、羟氯喹对于治疗新冠肺炎的作用。团队博士利用氯喹、羟氯喹的分子式建模,并在超算平台中引入了从公开数据库获得的新冠肺炎病毒蛋白质结构,经过100万余次的模拟取样,结果表明氯喹、羟氯喹药物分子均可对COVID-19核壳蛋白质的结构产生一定的影响,具有一定的治疗效果。对于这两种分子而言,药物浓度的增加不能明显提升治疗效果;特别是羟氯喹分子,低浓度下更易发挥效果。从计算的角度来说,这两种药物有效果,但不属于特效药。

“如果不用超算,用普通计算机是跑不动这样的计算量的,特别是在疫情爆发的特殊时期,窗口期短,更需要加快筛选的效率。”测试结果显示,利用部署在深圳超算的平台,6小时以内便完成了氯喹、羟氯喹对新冠肺炎的结构分析、机制分析。超级计算为药物筛选提升了“加速度”。

新冠疫情仍未过去,跟病毒的战争仍在继续。各国科学家日夜奋战,致力于寻找攻克新冠病毒的药物,研发疫苗。超级计算将源源不断地为药物筛选、疫苗研发注入动力,为彻底战胜疫情,打赢疫情防控攻坚战提供硬核科技力量。

戴中洋  李旖露