Биомедицинские исследования, биоинформатика, СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ М.А.Ройтберг Институт математических проблем биологии РАН, Пущино А.С.Карягина НИИ эпидемиологии и микробиологии им.Н.Ф.Гамалеи, РАМН М.С.Гельфанд Институт проблем передачи информации РАН

XXI век – век молекулярной биологии - расшифровка и аннотация полных геномов (человек, обезьяны, мышь, рис, бактерии…); - определение и классификация пространственных структур белков; - уточнение механизмов синтеза белков в клетке; - расшифровка индивидуальных геномов; - функционирование клетки (клеточный транспорт, умирание клеток (апоптоз) и др.) ПРИЛОЖЕНИЯ - медицина; - фармакология; - пищевая промышленность - …

Осилтамавир: лекарство против гриппа, в том числе - птичьего гриппа Осилтамавир Комплекс белка вируса гриппа (Neuroaminidaza) и молекулы лекарства. Лекарство блокирует работу вируса

Идея: определение бактериальных белков, блокирующих защитный ответ клетки Цель: поиск белков- мишеней для лекарств против хронических бактериальных внутриклеточных инфекций (хламидии и др.) Разработка лекарств в НИИ эпидемиологии и микробиологии им.Н.Ф.Гамалеи

СУПЕРКОМПЬЮТЕР + БИОМЕДИЦИНА = ДА! ЗАДАЧИ для СУПЕРКОМПЬЮТЕРОВ: сложные расчеты; возможность для распараллеливания: задачу можно разбить на много относительно независимых подзадач ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ: Сравнительный анализ геномов (1 геном ~ 1 миллиард« букв» ) Сравнительный анализ пространственных структур белков и их комплексов ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ (МЕДИЦИНА): Разработка новых лекарств (проверка миллионов кандидатов) «Индивидуальная» терапия

Какие СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ? МГУ: 1 Тфлопс Ин-т эпидемиологии им. Гамалеи: 1.5 Тфлопс (2008) IBM Research Center (Blue Gene): 300 Тфлопс (до 1000 Тфлопс в будущем) В основном – для биологии

ПРИМЕР: Разработка лекарств Болезнь Выделить белок, ответственный за болезнь ( МИШЕНЬ) Найти вещество (ЛИГАНД), связывающее белок-мишень Доклинические испытания Клинические испытания Готовое лекарство

ПРИМЕР: Разработка лекарств Болезнь Выделить белок, ответственный за болезнь ( МИШЕНЬ) Найти вещество (ЛИГАНД), связывающее белок-мишень Доклинические испытания Клинические испытания Готовое лекарство

Поиск лигандов: СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ Проверка десятков мишеней Для каждой мишени – миллионы лигандов-кандидатов Проверка одного лиганда для одной мишени – трудная вычислительная задача Отдельные лиганды можно проверять независимо друг от друга

Поиск лигандов: ПРОБЛЕМЫ Анализ лиганда: не можем точно определить качество связывания лиганда и мишени Выбор мишени: ошибка в выборе делает работу бессмысленной Не поиск лучшего, а сужение набора кандидатов Улучшение алгоритмов Нужны биологи!

Немного истории 1972 г. Постановление Президиума АН СССР (Президент АН СССР акад. М.В.Келдыш) о создании в Научном центре биологических исследований АН СССР (Пущино) Научно-исследовательского вычислительного центра АН СССР (директор проф. А.М.Молчанов, зам.директора проф. Э.Э.Шноль).

СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ НЕОБХОДИМЫ для БИОМЕДИЦИНЫ КОМПЬЮТЕР – для БИОЛОГОВ: Повышать уровень обеспеченности биологических исследований, ориентированных на суперкомпьютеры (и не только ) Инфраструктура, связанная с суперкомпьютером (интернет, средства визуализации, и др.) НУЖНЫ ПРОГРАММЫ и АЛГОРИТМЫ: Средства параллельного программирования Алгоритмы решения задач биоинформатики, ориентированные на архитектуру суперкомпьютеров Обучение КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД: ИНТЕГРИРУЮЩАЯ ПРОГРАММА