美国国家航空航天局(NASA)正在发挥其超级计算能力的能力,以帮助解决关于COVID-19的一些最紧迫的问题,包括关于病毒如何与人体细胞相互作用的基础科学、遗传风险因素和潜在治疗药物的筛选。

NASA位于加利福尼亚州硅谷的艾姆斯研究中心(Ames Research Center)的超级计算机除了支持地球行星、航空航天、太阳物理学和天体物理学项目外,也为国家优先事项预留了时间

NASA已加入了一个机构联盟,该联盟正致力于将超级计算机资源与利用高端计算进行COVID-19研究的提议相结合。这项工作由白宫科学技术政策办公室(White House Office of Science and Technology Policy)组织,参与的业界合作伙伴包括IBM、惠普企业、亚马逊、微软等。除此之外,能源部国家实验室、国家科学基金会和许多大学也参与到了这项工作中。该联盟目前支持的项目有64个,并愿意接受新的提议。迄今为止,已有4个与NASA匹配的项目。

来自华盛顿哥伦比亚特区NASA总部的高端计算项目经理Tsengdar Lee表示:“这并非NASA的日常工作,但我们拥有超级计算机和专业知识,可以帮助COVID-19的研究人员充分利用超级计算能力。”

超级计算机适合处理大量数据。对于NASA的常规项目而言,这意味着模拟地球周围的空气团和的运动以研究地球的气候,寻找系外行星,研究黑洞的行为或设计航空航天飞行器。这些很大的难题中的每一个,在与其他要素的相互作用和关系中,都会遵循某些特定的物理和化学法则。将冠状病毒放大到原子水平来进行研究也不例外。每个分子和细胞的移动及反应都基于物理和化学原理,这使模拟成为了解冠状病毒强有力的工具。

艾姆斯研究中心NASA高级超级计算部门的负责人Piyush Mehrotra表示:“我们很高兴能够对这项工作提供支持,我们的团队将竭尽全力支持相关研究项目,以便我们能够尽快了解并抵抗这种疾病。”

NASA超级计算机助力COVID-19研究

NASA的“昴宿星”(Pleiades)超级计算机基于机架的体系结构使NASA可以通过硬件升级来不断提高系统的计算能力,而无需扩展其物理覆盖范围。Pleiades超级计算机的当前配置比2008年最初安装该系统时功能强大近15倍。
图片来源:NASA艾姆斯研究中心

识别急性呼吸窘迫综合征的遗传风险因素

艾姆斯研究中心的超级计算能力目前正在梳理当中,用于研究与发展为急性呼吸窘迫综合征(Acute Respiratory Distress Syndrome, ARDS)的COVID-19患者相关的遗传风险因素。ARDS是COVID-19的一种并发症,是由于肺部积液太多,没有足够的氧气进入血液和器官的一种现象。ARDS患者通常需要呼吸机的帮助才能呼吸。

那些将自己的专业知识应用于太空生物学变化研究的NASA研究人员正在探索这类遗传变异。他们正在与医疗保健服务提供商北加州凯撒医疗集团(Northern California Kaiser Permanente)共同开展关于COVID-19的联合研究。

艾姆斯研究中心太空生物科学部的首席研究员Viktor Stolc和联合研究员David Loftus正在带领一个团队对COVID-19不同阶段的患者进行基因测序,这些患者中既包含发展为ARDS的患者,也包括没有发展为ARDS的患者。

David Loftus说:“并非所有患者均有发展成ARDS的同等风险。” 他表示,通过对各实验组进行对比并分析基因与COVID-19结果之间的关系,研究小组希望能够识别出导致人们易患ARDS的遗传风险因素。识别出这些风险因素后,临床医生就有可能在病情变得严重之前识别出并发症风险较高的患者,并加强对他们的护理

计算机处理3D分子几何构型,以寻找潜在药物疗法

由来自麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)的Rafael Gomez-Bombarelli领导的一个团队正在利用艾姆斯研究中心的超级计算机训练一种算法,以检测可抑制新型冠状病毒攻击细胞的潜在分子。机器学习算法将使用30万个分子,这些分子已被实验证明对SARS(2003年爆发的严重急性呼吸综合征,又称“非典”,由SARS冠状病毒感染引起)具有活性或无活性。

由于SARS与新型冠状病毒之间的生物学相似性,Gomez-Bombarelli说道:“一旦使用SARS数据数据训练了算法,就比较容易用很小的修改对算法进行微调,以观察分子是否对COVID起作用。”

将在超级计算机上运行的MIT软件可根据已知的分子化学成分生成新的分子3D模型。这样一来,计算机就可以更准确地表示这种分子,当以前从未见过的新分子出现时,能够更好地预测它是否会与新型冠状病毒结合。

受过训练的算法可以在分子水平上查看现有治疗药物的目录,以查找那些含有可能对新型冠状病毒具有生物学活性分子的药物。那些已经获得美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA)或全球范围内类似机构批准的对患者安全的药物,是寻找可以在医院最快用于治疗新型冠状病毒的药物的最快途径。

NASA超级计算机助力COVID-19研究

这张由美国疾病预防与控制中心 (Centers for Disease Control and Prevention, CDC)绘制的图揭示了冠状病毒的超微结构形态。用电子显微镜观察时,可发现病毒外表面镶嵌着的冠状突起。一种被称作严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2(SARS-CoV-2)的新型冠状病毒。由这种新型冠状病毒引发的疾病被正式命名为2019冠状病毒病(COVID-19)。
图片来源:CDC

了解新型冠状病毒的蛋白质外壳

了解新型冠状病毒是如何利用其外部的刺突蛋白进入细胞的,将有助于研究人员确定对其最有效的药物或疗法。一旦进入细胞,新型冠状病毒就会“劫持”细胞的操作系统进行自我复制,这样更多的病毒就可以在体内传播。

弗吉尼亚联邦大学(Virginia Commonwealth University)的首席研究员Michael Peters说:“这是一个相当复杂的过程,因为刺突蛋白处于所谓的预融合状态,即与细胞膜上特定受体分子融合之前的状态。” 他表示,就像许多病毒一样,它经历了一个转化过程,研究小组希望能够详细了解刺突蛋白的行为。

Michael Peters和他的同事们正在利用艾姆斯研究中心的超级计算资源在原子水平上模拟每个复杂分子,即构成刺突蛋白及其受体分子的碳、氧、氮和氢原子。同步跟踪每个原子的运动,可以研究构象变化(整体分子形状的变化),这种变化是这些复杂分子及其相互作用自然发生的。

最终目的是了解新型冠状病毒刺突蛋白进入细胞的基本过程。Michael Peters表示,有了这些信息,研究人员将能够更迅速地缩小药物靶标范围,从而找到有效的治疗方法。

识别COVID-19相关的生物标志物

新型冠状病毒一旦进入体内就会与许多变量发生相互作用,并可能导致截然不同的结果,从相对轻微的病例到需要重症监护的严重肺部疾病,或其他器官衰竭。由艾姆斯研究中心首席研究员Afshin Beheshti共同领导的COVID-19国际研究小组(COV-IRT)的研究人员正在分析患者鼻拭子的RNA序列,其中包括患者的遗传物质、新型冠状病毒和存在于人体中的天然细菌。

COV-IRT的目标是利用超级计算机的分析能力来识别与冠状病毒的RNA相互作用并导致严重疾病后果的人类和细菌来源的RNA序列。

Afshin Beheshti对microRNAs的作用尤其感兴趣。microRNA是长度大约22个核苷酸的单链RNA片段,每个片段可以控制多达500个基因的表达。

Afshin Beheshti表示:“病毒可能劫持microRNA以躲避免疫系统并进行复制。”我们的想法是,病毒会吸收这些微小的片段,并欺骗人体使其认为该病毒不是外来物。”

在对来自中国武汉的公共数据集的早期分析中,研究小组已经识别出一种潜在的microRNA,该microRNA被新型冠状病毒激活。他们已经将其转交给同事进行实验研究。

欲了解有关NASA艾姆斯研究中心高级超级计算部门的更多信息,请访问:https://www.nas.nasa.gov/

来源:https://www.nasa.gov/feature/esd/2020/nasa-supercomputers-power-covid-19-research

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