Избыточные и простаивающие компьютерной мощности помогают ускорить онкологические исследования

Ученые изобрели способ автоматизации и ускорения трудоемкого ручного процесса, который позволяет облегчить исследование белковых структур в злокачественных опухолях и, в итоге, ускорить разработку методик лечения раковых заболеваний. Это новое автоматизированное решение может помочь в изучении и других болезней, а также в исследованиях, связанных с продуктами питания.

Анонсированный сегодня научный прорыв был достигнут в рамках программы Help Conquer Cancer («Помоги победить рак»), реализуемой при участии корпорации IBM (NYSE: IBM) и использовании системы World Community Grid – распределенной сети персональных компьютеров добровольцев, которые безвозмездно предоставляют незадействованные вычислительные ресурсы своих машин для гуманитарных проектов. Сеть World Community Grid, спонсируемая IBM, обеспечивает ученых бесплатной вычислительной мощностью, эквивалентной по стоимости миллионам долларов, для проведения исследований в области медицины, продуктов питания, энергетики и экологии.

Привлекая ресурсы World Community Grid, участники проекта Help Conquer Cancer создали систему, которая точно определяет, когда образцы белка подвергаются затвердеванию, называемому кристаллизацией, что делает эти белки пригодными для дальнейшего специального рентгенологического исследования. Данный процесс необходим в процессе изучения того, какую роль структура, форма и взаимодействие некоторых белков может играть в возникновении и развитии онкологических заболеваний.

Используя сеть распределенных вычислений, ученые смогли обучить систему успешно распознавать 80% «кристаллонесущих» признаков в изображениях и 98% чистых капель белкового раствора, появляющихся перед кристаллизацией. Это позволяет проанализировать в шесть раз больше изображений в расчете на один изучаемый образец белка по сравнению с анализом, осуществляемым человеком, и значительно сократить время исследований.

Автоматизация процедуры определения кристаллов может ускорить исследования в целом ряде проектов в области генетики и биологических наук, поскольку кристаллизация является ключевым методом изучения различных биологических процессов. Это также может помочь в реализации других научно-исследовательских проектов, использующих сеть World Community Grid, таких как инициатива Nutritious Rice for the World, направленная на получение более стойких к климатическим условиям и питательных сортов риса.

Статья об этом научно-техническом достижении, написанная ведущими исследователями проекта Help Conquer Cancer, была недавно опубликована в журнале Journal of Structural and Functional Genomics (http://www.springerlink.com/content/750430466h336142/fulltext.pdf).

Кристаллизация позволяет элементарным частицам рентгеновского излучения «бомбардировать» образец и преломлять свет в разных направлениях, формируя трехмерный контур и облегчая исследование образца. В то же время, процесс кристаллизации очень длителен и трудоемок: один образец белка может потребовать тысяч попыток ускорения кристаллизации путем ввода роботизированным устройством специальных химических соединений. И, до настоящего времени, эта процедура требовала тщательного наблюдения человека для проверки и подтверждения, что кристаллы действительно сформировались.

Кристаллизация – это основа 

Метод рентгеновской кристаллографии играет ключевую роль во многих научных исследованиях. В частности, в середине прошлого столетия он использовался для определения формы ДНК. Белки не являются единственными субстанциями, которые могут формировать кристаллы для облегчения исследований и разработок – ученые также используют рентгеновскую кристаллографию для изучения металлов, минералов и полупроводников.

«Это достижение является еще одним подтверждением той огромной пользы, которую программа World Community Grid приносит в научной области, — считает доктор Игор Юришича (Igor Jurisica), старший научный сотрудник Ontario Cancer Institute (Института рака в Онтарио), адъюнкт-профессор факультетов компьютерных наук и медицинской биофизики Университета Торонто (University of Toronto), научный сотрудник в статусе visiting scientist центра IBM Centre for Advanced Studies и председатель ассоциации исследователей Канады (Canada Research Chair) в области вычислительной биологии. — Люди, которые добровольно предоставляют вычислительные ресурсы своих персональных компьютеров, могут по праву гордиться тем, что они сделали это достижение возможным».

«Революционные достижения подобно этому позволяют нам, в IBM, чувствовать себя причастными к поддержке сети World Community Grid и к работе многих ученых, которые пользуются этой системой, — подчеркнул доктор Джозеф Ясински (Joseph Jasinski), Заслуженный инженер (Distinguished Engineer) и руководитель программ в институте IBM Healthcare and Life Sciences Institute. — Мы уверены, что этот прорыв, о котором объявлено сегодня, станет ценным вкладом в разработку передовых методов исследования болезней».

По данным Всемирной организации здравоохранения, в 2007 году около 13% всех случаев заболеваний людей со смертельным исходом были вызваны раком. В 2008 году было зарегистрировано 12,7 млн. новых случаев онкологических заболеваний, из которых 7,6 млн. стали смертельными. В ближайшие 20 лет число новых ежегодно диагностируемых случаев рака увеличится до 21 млн., и 13 млн. из них могут привести к летальному исходу.

Сеть распределенных вычислений предоставляет вычислительные ресурсы для множества научных проектов 

Проект Help Conquer Cancer (http://www.worldcommunitygrid.org/research/hcc1/overview.do) был запущен в сети распределенных вычислений 1 ноября 2007 года при содействии Института рака в Онтарио (Ontario Cancer Institute), Больницы Принцессы Маргарет (Princess Margaret Hospital), Университетской Сети Здоровья (University Health Network) в Торонто, Канада, и Научно-исследовательского медицинского института Хауптмана-Вудворда (Hauptman-Woodward Medical Research Institute) в Буффало, штат Нью-Йорк, США.

С момента запуска проекта Help Conquer Cancer и до сегодняшнего дня добровольные члены сообщества World Community Grid предоставили 50981 лет машинного времени, что в среднем составляет 54 года машинного времени в день. Эти вычислительные мощности помогают анализировать 100 млн. изображений 12500 уникальных белковых структур, которые могут быть связаны с онкологическими заболеваниями. Эти изображения, хранящиеся в архиве института Хауптмана-Вудворда, получены в ходе более 19,2 млн. экспериментов.

Архив, содержащий наиболее полную биохимическую базу данных большого числа белков, поможет исследователям во всем мире раскрыть тайну развития многих онкологических заболеваний, в частности, рака молочной железы, рака предстательной железы, детской лейкемии.

Компьютерные исследования обеспечивают как качественные, так и количественные преимущества. Так, например, для человека задача просмотра и анализа всех 9216 изображений данного конкретного белка практически невыполнима. И даже если человек попробовал бы обрабатывать одно изображение в секунду, ему потребовалось бы 1333 дня, чтобы изучить таким образом все 12500 белков, исследуемых в рамках проекта. Кроме того, результаты такого «ручного» анализа, выполненные даже одним человеком, могут быть несогласованными и варьироваться в широких пределах.

На ранних этапах автоматизации процесса проверки кристаллизации, компьютеры точно определяли соответствующие признаки только в приблизительно 70% случаев, и могли исследовать лишь около 850 параметров – в сравнении с 15000 параметрами, которые они способны анализировать сегодня.

О сети World Community Grid 

Проект Help Conquer Cancer осуществляется с использованием сети распределенных вычислений World Community Grid, финансово и технически поддерживаемой IBM. Объединяя неиспользуемое машинное время 1,5 млн. персональных компьютеров, безвозмездно предоставляемое сотнями тысяч добровольцев из более чем 80 стран, World Community Grid является крупнейшей в мире общедоступной гуманитарной сетью, эквивалентной по вычислительно мощности одному из самых высокопроизводительных суперкомпьютеров. Только в апреле 2010 года к сети присоединились свыше 22000 новых ПК.

Сеть World Community Grid обеспечивает производительность, эквивалентную 180 терафлопс (или 180 триллионам операций с плавающей запятой в секунду). Анонсированное сегодня приложение для проекта Help Conquer Cancer выполняет 80 триллионов операций с плавающей запятой в секунду.

Другие проекты, реализуемые в сети World Community Grid, достигли следующих результатов:

- В ходе осуществления проекта Discovering Dengue Drugs Together, направленного на поиск эффективного лекарства от тропической лихорадки, были найдены потенциальные противовирусные составы, которые могут помочь в борьбе с тропической лихорадкой и связанными с ней другими заболеваниями.

- Ученые, работающие в рамках проекта Fight Childhood Cancer, нашли лекарства, которые могут блокировать три белковые структуры, связанные с развитием нейробластомы – чтобы сделать одну из наиболее часто встречающихся злокачественных опухолей у детей более излечимой.

- Ученые из Исследовательского института Скриппса (Scripps Research Institute), работающие над проектом FightAIDS@Home, недавно обнаружили два состава, которые могут привести к разработке новых методов лечения СПИДа, вызванного лекарственно-устойчивыми вирусными штаммами ВИЧ.

- В процессе исследований, направленных на получение более питательных сортов риса (проект Nutritious Rice for the World), было выполнено 12 млн. транзакций (логических единиц вычислительной работы) и использовано 11000 лет машинного времени.

- Успешно реализуется научно-исследовательский проект, призванный помочь в лечении мускульной дистрофии и других нервно-мышечных заболеваний.

Все желающие могут безвозмездно предоставить ресурсы своих компьютеров для помощи в осуществлении этих проектов, зарегистрировавшись на Web-сайте www.worldcommunitygrid.org и установив небольшую бесплатную безопасную программную утилиту на свои ПК, работающие под управлением операционных систем Linux, Microsoft Windows или Mac OS. В периоды бездействия пользовательского компьютера или между циклами выполнения им легких и нетребовательных к ресурсам задач, он запрашивает вычислительное «задание» с сервера World Community Grid и, получив и выполняя его, помогает в проведении исследований белков, связанных с возникновением и развитием онкологических заболеваний.

IBM предоставляет на безвозмездной основе аппаратные средства, программное обеспечение, технические услуги, свои экспертные знания и практический опыт для формирования инфраструктуры сети распределенных вычислений World Community Grid, а также предоставляет бесплатные услуги хостинга, обслуживания и поддержки.