Simulation eines funktionierenden Organismus
Forschern im US-Staat Illinois ist es unter Einsatz eines Supercomputing-Systems SGI® Altix® gelungen, weltweit erstmals die Simulationsberechnung einer kompletten funktionsfähigen Lebensform auf atomarer Ebene durchzuführen. Diese neuerliche der vielen Errungenschaften, die Wissenschaftler heute mit Hilfe von SGI-Technologie erzielen, wird als Durchbruch gesehen, um bei der Entwicklung neuer Medikamente zur Bekämpfung von Viren in Pflanzen, Tieren und selbst Menschen schnellere Fortschritte erreichen zu können. Bei der Modellrechnung wurden am Beispiel des Tabakmosaik-Virus die Schwingungen eines 1 Million Atome umfassenden Komplexes simuliert, Phasen seiner Reproduktion analysiert sowie Schwachstellen zur Bekämpfung des Virus studiert.
----------------------
Die Simulation, die die Forschergruppe rund um Prof. Dr. Klaus Schulten an der University of Illinois in Urbana-Champaign an dem Pflanzenvirus mit den 1 Mio Atomen durchführte, darf als historisch schon alleine wegen der schieren Komplexität des Problems erachtet werden. Wären die Forscher auf die Leistungsfähigkeit eines modernen derzeitigen Arbeitsplatzrechners angewiesen gewesen, hätten sie bis zum Jahre 2041 auf ein Ergebnis warten müssen.
Prof. Schultens Team bediente sich eines Teil der Ressourcen, die ein am NCSA (National Center for Supercomputing Applications) installiertes 1,024-Prozessorsystem ´SGI Altix 3700 Bx2´ für wissenschaftliche Aufgabenstellungen zur Verfügung hält. Der Altix-Hochleistungsrechner erlaubte dem Team, die Wechselwirkungsdynamik sämtlicher 1 Mio Atome über einen Zeitrum von 50 Nanosekunden hinweg zu simulieren - über eine Zeitspanne von 50 Milliardstel Sekunde, die sehr kurz scheint, jedoch nicht weniger als 50 Mio einzelne Zeitschritte umfasste, da es galt, die Atombewegung in winzigen Zeitabständen von einer Femtosekunde (1 Millionstel Nanosekunde) zu betrachten.
Im Lebenszyklus des Virus die Angriffspunkte erkennen
--------------------------------------------------
Obwohl das Tabakmosaik-Virus so klein ist, dass Biologen es lediglich als Teilchen betrachten, erschließt sich mit ihm die Möglichkeit, einen Organismus so zu simulieren, wie er tatsächlich funktioniert, und damit ein weiterer Hoffnungsträger für die medizinische Forschung. "Die Simulation wird uns verstehen helfen, wie sich das Virus aufbaut und wie es zerfällt," erklärt Peter Freddolino, Mitglied der Forschergruppe. "Weil Aufbau- und Zerlegungsprozess zwei ganz wesentliche Schritte im viralen Lebenszyklus sind, könnte das Verständnis dieser Vorgänge zu einer Entwicklung von Wirkstoffen führen, die von grundauf darauf abzielt, die Viren an ihren Schwachstellen zu attackieren."
Der von den Illinois-Forschern untersuchte Tabakmosaik-Satellitenvirus befällt zwar ausschließlich Pflanzen, aber die Wissenschaftler gehen davon aus, dass hochkomplexe Molekulardynamik-Simulationen, ähnlicher Art wie jetzt auf dem SGI-System realisiert, bald auch der Entwicklung und Verfeinerung von Wirkstoffen für Tier und Mensch dienen werden.
Exzellente Einzelknoten-Leistung, effiziente MPI-Implementierung
--------------------------------------------------
Das am NCSA installierte SGI-Altix-System erwies sich für die Simulationszwecke der Forscher als leistungsfähige, effizient und flexibel nutzbare HPC-Ressource. Trotz der Komplexität ihres High-Performance-Computing-Problems benötigten sie nur 50 Tage und einen Bruchteil der 1,024 Intel®-Itanium®2-Prozessoren des Systems. Die meisten Teilberechnungen kamen mit 256 Prozessoren und 128 GB Memory aus, so dass der große Rest der Maschine weiterhin für andere Projekte zur Verfügung stehen konnte. NAMD, der skalierbare Molekulardynamik-Code, mit dem die Forschergruppe arbeitete, verteilt Aufgaben über Prozessoren und Hauptspeicherplatz und lässt die Simulationsläufe ein Maximum aus den gerade benötigten Prozessor- und Memory-Ressourcen herausholen.
"Die Altix-Plattform hat exzellente Leistungsfähigkeit in der Einzelknoten-Konfiguration und bietet auch eine sehr effiziente MPI-Implementierung," sagt Freddolino, "zwei Faktoren, die das System sehr eigneten, um unsere Arbeit effizient durchziehen zu können."
(Bei der Einzelknoten-Konfiguration ergibt sich eine Ressource für Shared-Memory-Computing unter einer einzigen Betriebssystem-Instanz, bei der MPI-Implementierung eine Mehrknoten-Ressource für Distributed-Memory-Computing, so dass auch Codes, die für Cluster-Systeme geschrieben sind, hocheffizient nutzbar sind).
Schulten: "Ideal ist es, mit einer mächtigen Rechnerplattform zu arbeiten, die die Ergebnisse schnell und bei geringstmöglichem Aufwand produziert. Dann kann man sich auf den eigentlichen Zweck der Anstrengung, auf die zugrunde liegende Wissenschaft konzentrieren. Genau das macht uns das NCSA möglich." Schulten ist intensiver Nutzer von NCSA-Ressourcen seit Jahren.
US-Regierung unterstreicht Commitment für HPC-Ressourcen
--------------------------------------------------
NCSA-Direktor Thom Dunning: "Die US-Bundesregierung bekräftigt ihr Commitment für HPC in Form einer Reihe bevorstehender größerer Ausschreibungen für Systeme, die nochmals erheblich umfangreicher sein werden, als die, die wir heute unterstützen. Zentren wie das NCSA sind aufgefordert, mit solchen Investitionen Bestmögliches zu schaffen, indem wir mit Anwendern wie Prof. Schulten und ganzen wissenschaftlichen Communities eng zusammenarbeiten. Wir haben neue Konzepte entwickelt, wie wir Supercomputing-Ressourcen zur Verfügung stellen wollen und den Wissenschaftlern letztlich passgenau das bieten können, was sie brauchen, um solche atemberaubenden Durchbrüche wie die jetzige erstmalige Simulation dieses kompletten lebenden Teilchens zu erzielen."
50 nsec Echtzeit-Dynamik offenbart merkwürdiges Pulsieren
--------------------------------------------------
Viren sind zwar die kleinsten bekannten Organismen. Doch noch bis vor kurzem waren Moleküldynamik-Simulationen auf gesamt-atomarem Niveau bei einer dermaßen großen Struktur, wie sie hier beim Tabakmosaik-Virus gegeben ist, schlichtweg nicht durchführbar. Deshalb müssen sich Forscher oft begnügen, nur Teile eines symmetrisch aufgebauten Virus zu analysieren und Szenarien mit symmetrischen Randbedingungen zu studieren. Oder sie betrachten bei den Simulationsrechnungen lediglich kleinere Bestandteile des Virus oder auch die Gesamtstruktur bei geringerer Auflösung und vereinfachten Algorithmen.
Mit Hilfe des Altix-Systems konnten sich die Illinois-Forscher der Herausforderung stellen - um im Falle des Pflanzenvirus die vertrackten Mechanismen zu untersuchen, die im Zuge der Infizierung der Wirtszelle sowie bei seiner weiteren Reproduktion und Verbreitung ablaufen.
Anhand des simulierten 50 Nanosekunden langen Realzeitgeschehens konnten die Forscher ersehen, dass das Virus, das sich zunächst symmetrisch zeigt, in Wirklichkeit an der Proteinschale gemäß eines asymmetrischen Bewegungsmusters nach innen und außen stülpend pulsiert. "Wir beobachteten, dass sich jeder Teil der Viralstruktur nahezu für sich selbst bewegt," erklärt Physiker Anton Arkhipov, der mit Freddolino und Prof. Schulten seit Projektbeginn vor rund einem Jahr zusammenarbeitet. Die simulations-basierten Erkenntnisse stehen im Einklang mit Beobachtungen, die andere Forscher mit traditioneller Laborarbeit machten. Diese früheren Beobachtungen hatten die Forscher jedoch stets im Unklaren über die Ursachen für dieses merkwürdige Verhalten gelassen. Jetzt ist man dem Mysterium einen großen Schritt näher gekommen.
Biologisches Reverse-Engineering
--------------------------------------------------
Das Projekt, über das das Wissenschaftsmagazin Structure im März berichtete, ist der erste erfolgreiche Fall des Biologischen Reverse-Engineerings eines kompletten Virus. "Der Ansatz des Reverse-Engineering geht zurück auf etwas, was wir von Ingenieuren lernten", erklärt Schulte. "Modelliere die Sachverhalte, die dich interessieren und lasse sie in schnellen Testläufen durch einen Rechner ´fliegen´ - um zu sehen, ob sie auf virtueller Ebene, in silicio, ebenso aussehen und ablaufen, wie in Realität, in vivo. Ein tiefreichendes analoges Verstehen der mechanistischen Eigenschaften anderer, komplexerer Viren dürfte, das versteht sich, zum weiteren Fortschritt der Medizin und zum Wohle der allgemeinen Gesundheit beitra
|
Thread abonnieren
