在Frontera超级计算机上完成冠状病毒大规模模拟

 
科学家们正在准备他们所期望的巨大的冠状病毒计算机模型，从而可以深入了解它如何在体内感染。他们已迈出了第一步，测试了模型的第一部分，并在德克萨斯大学奥斯汀分校的德克萨斯高级计算中心(TACC)的Frontera超级计算机上优化了代码。从完整模型中获得的知识可以帮助研究人员设计新药和疫苗来对抗冠状病毒。
Rommie Amaro致力于构建其外部组件SARS-COV-2冠状病毒包膜的第一个完整的全原子模型。 “如果我们对粒子的外部外观和行为有一个好的模型，我们将对涉及分子识别的不同成分有一个很好的认识。”分子识别涉及病毒如何与血管紧张素转化酶2(ACE2)受体以及宿主细胞膜内可能的其他靶标相互作用。 Amaro是加利福尼亚大学圣地亚哥分校的化学和生物化学教授。
Amaro期望冠状病毒模型包含大约2亿个原子，这是一项艰巨的任务，因为必须计算每个原子之间的相互作用。她的团队的工作流程采用混合或集成建模方法。
阿玛罗说：“我们正在尝试将不同分辨率的数据合并为一个内聚模型，可以在像Frontera这样的领导级设施上进行模拟。” “我们基本上从单个组件开始，在这些组件中，它们的结构已经以原子或接近原子的分辨率被解析。我们仔细地使这些组件中的每个组件正常运行并进入稳定状态。然后，我们可以将它们引入更大的领域邻近分子的模拟。”
冠状病毒的SARS-CoV-2突突蛋白是由加州大学圣地亚哥分校的Romaro实验室在美国国家科学基金会资助的Frontera超级计算机TACC的UT Austin上模拟的。它是参与宿主细胞冠状病毒感染的主要病毒蛋白。基于物理学的分子动力学模拟可以预测冠状病毒分子机器的运动方式，从而使研究人员能够洞悉其对潜在疫苗和药物的脆弱性。基于pdb 6vsb的冠状病毒刺头;使用同源性建模的穗茎;根据Walls等人设计的2019 Cell和Watanabe等。
2020年3月12日至13日，Amaro实验室在Frontera的多达4,000个节点或约250,000个处理核心上进行了分子动力学模拟。根据世界500强组织的2019年11月排名，Frontera是全球排名第五的超级计算机和学术超级计算机的第一名，它是国家科学基金会支持的领先级高性能计算系统。
阿玛罗说：“只有在像Frontera这样的机器上或在能源部的机器上才能进行这种大小的模拟。” “我们直接与Frontera团队联系，他们一直很慷慨地给我们提供基准测试的优先权，并尝试优化代码，以便一旦系统真正启动并运行，这些模拟就可以尽可能高效地运行。”
“可以肯定的是，使用其中一台全新的机器令人兴奋。到目前为止，我们的经验非常好。该系统的初始基准确实给人留下了深刻的印象。我们将继续优化这些超大型机器的代码系统，以便最终获得更好的性能。我想说，与Frontera团队合作也很棒，他们随时准备提供帮助，并且在这个关键的时间段内反应非常快。经验。”
TACC执行董事兼Frontera超级计算机项目首席研究员Dan Stanzione说：“ TACC为支持这项关键而开创性的研究感到自豪。 “我们将继续支持Amaro的模拟以及其他与理解和寻找克服新威胁的方法有关的重要工作。”
Amaro处理冠状病毒的工作建立在她对流感病毒包膜进行全原子模拟的成功基础上，该模拟发表于2020年2月的ACS Central Science中。她说，流感工作将与他们目前追求的目标有很多相似之处与冠状病毒。
Amaro说：“这是对我们的方法和适应新数据并立即进行启动和运行的能力的出色测试。” “我们花了一年或更多的时间来建立流感病毒的外壳，并使其在国家超级计算机上启动并运行。对于流感，我们使用了Blue Waters超级计算机，在某些方面，它是Frontera的前身。但是，这项工作冠状病毒的进展显然要快得多。这之所以能够实现，部分原因是我们早先在Blue Waters上所做的工作。”
Amaro说：“这些模拟将为我们提供对感染所需的冠状病毒不同部分的新见解。我们之所以关心这一点，是因为如果我们能够理解这些不同的特征，那么科学家就有更好的机会来设计新药物;了解当前药物的工作方式和潜在药物组合的工作方式，我们从这些模拟中获得的信息是多方面的和多维的，将对第一线的科学家以及长期的长期研究人员有用。希望公众能够理解推动人们进一步了解这种病毒的科学有许多不同的组成部分和方面。在Frontera上进行的这些模拟只是这些组成部分之一，但希望是重要的和有益的。”