你也可以为征服新的冠状病毒做出贡献
备注 病毒 蛋白质
作者: 孙鸣远
2020-06-08 10:20:21
[ 闻蜂导读 ] 理论上,像“蛋白质折叠”这样的大规模科研项目应该由超级计算机来解决。然而,超级计算机在计算能力上是强大的,但是一方面,它们的使用极其昂贵,这对于刚刚起步的F@h项目来说是难以承受的。另一方面,像“蛋白质折叠”这样“模拟时间长、随机性极强”的项目不可能一蹴而就,也就是说,它们需要一个能够长时间提供计算能力的系统。 因此,分布式计算,一种相对

理论上,像“蛋白质折叠”这样的大规模科研项目应该由超级计算机来解决。然而,超级计算机在计算能力上是强大的,但是一方面,它们的使用极其昂贵,这对于刚刚起步的F@h项目来说是难以承受的。另一方面,像“蛋白质折叠”这样“模拟时间长、随机性极强”的项目不可能一蹴而就,也就是说,它们需要一个能够长时间提供计算能力的系统。

因此,分布式计算,一种相对便宜和高效的计算方法,已经成为f @ h的首选。如果你读过刘的《球状闪电》或者是天文学家,那么你一定听说过SETI@home,它也使用分布式计算通过分析从世界上最大的射电望远镜阿雷西博获得的数据来帮助分析和搜索外星文明。(不幸的是,SETI@home在2020年3月宣布,它将停止授予合同,进入休眠期。)

当人们完成工作和休息后,屏幕保护程序开始运行。这台看似静止的电脑实际上已经加入了寻找外星人的行列:接收和分析来自SETI@home的数据,这些数据已经被分解成“工作单元”。分析完成后,系统会自动将分析结果在线发送到主服务器,然后接受另一个新的“工作单元”。

——刘的《球状闪电》

尽管一开始很少有志愿者参与这项计划,但随着人们对它的了解,参加这项计划的人数不断增加。2014年,其峰值计算速度达到45万亿次,接近世界上最快的超级计算机“天河二号”(54万亿次)。然而,与上面提到的“暂停游戏”和“挖矿”的数字相比,F@h仍然是一个小众项目。

(红色代表F@h,黑色代表亮和暗,分别是超级计算机的前三名)

直到2020年2月28日,F@h的现任团队负责人格雷格·鲍曼博士发布了一条吸引了无数人关注的推特消息,称:“F@h将参与针对COVID-19的研究。”

当时,大量的志愿者加入了F@h项目。截至3月19日,超过40万人下载了F@h客户端,志愿者人数增加了10倍。F@h只用了大约2周的时间就模拟出了新冠状病毒的S蛋白结构。

(COVID-19穗蛋白,图/F@h)

3月21日,F@h的计算能力超过了470皮秒,是世界上最快的超级计算机IBM Summit的峰值计算能力的两倍多。

(IBM峰会超级计算机)

仅仅一周之后,3月27日,鲍曼再次宣布了这个好消息:“F@h的计算能力已经超过了十亿次浮点运算(1×十亿次浮点运算= 1000千兆次浮点运算),并且F@h已经成为世界上第一个拥有十亿次浮点运算能力的计算系统。”(相当于IBM Summit 7的S峰值计算力)

计算能力在短时间内的涌入让F@h大吃一惊,分配任务的服务器无法应对。最后,F@h团队几乎将服务器数量增加了一倍,以减轻压力。

在这里,你应该有一个f @ h的历史背景和现状的总体了解。那么F@h与抗击新的皇冠流行病和治疗许多不治之症有什么关系呢?

蛋白质的奥秘

蛋白质是人类生存的基本物质,是人体所有细胞和组织的重要组成部分。蛋白质在人体内无处不在。所有的生命活动都离不开蛋白质。可以说,没有蛋白质就没有生命。而恰恰是保障人类生命存在的物质,同时也是杀害人类的最大罪魁祸首。

目前许多药物无法治愈的疾病是由蛋白质本身的“问题”引起的,而不是由外部病毒和细菌引起的,如癌症、阿尔茨海默病、帕金森病等。

蛋白质合成的过程是:从脱氧核糖核酸转录成信使核糖核酸(信使核糖核酸)开始,氨基酸被运输核糖核酸(运输核糖核酸)携带,并在核糖核酸(核糖体)中合成。

(转录的脱氧核糖核酸)

(tRNA携带相应的氨基酸,并根据其密码子序列在rRNA中合成蛋白质链)

简而言之,蛋白质是由氨基酸合成的,氨基酸序列被记录在DNA中。包含在DNA中的序列信息是通过信使传递的。在辅助蛋白(tRNA)的帮助下,氨基酸按顺序进入合成工厂(rRNA)进行“组装”,并合成一条“端到端”的蛋白质链。

尽管蛋白质在合成之初是长链的,但在几毫秒甚至几微秒后它会折叠成三维形状,并且只有在折叠完成后才具有活性(相应的效果)。

(蛋白质折叠图)

这就是问题所在。

如果蛋白质被错误折叠,它不仅会失去正常功能,还会造成严重的灾难。因为事实上大多数蛋白质都有复杂的三维结构,它们不是简单地聚集在一起,而是有规律地形成一个“机器”。

例如,在下图中,蛋白质位于细胞膜上,利用三磷酸腺苷提供能量,将酸性物质排出细胞,以调节细胞的酸碱度。

另一个例子是细菌的“尾巴”,它也是一种“机器”,通过内部提供能量来形成旋转运动并驱动细菌运动。

这只是蛋白质作用的一个简单例子。想象一下,如果零件装配不正确,这种复杂的“机器”会发生什么?

为了防止类似的事情发生,细胞中有一种酶可以监督“蛋白质折叠”过程,并使其以正确的方式折叠。此外,该单元具有第二层度量。如果发生错误折叠,这些错误的蛋白质将被扔进细胞质进行分解,以防止有问题的蛋白质“干扰”。

然而,人体可以利用20种氨基酸合成3万多种蛋白质,而且每分每秒都在发生。例如,当你阅读这篇文章时,体内有无数的机器在运转。例如,世界上的机器加在一起并没有你指尖那么多。因此,在许多因素的影响下,蛋白质仍会发生错误折叠,从而引发一系列疾病。

例如,由蛋白质错误折叠引起的不溶蛋白质最终将形成纤维聚集体,即淀粉样蛋白沉淀,这将最终导致淀粉样蛋白型疾病。(肾病、心脏病、皮肤病等。)

另一个例子是,一些蛋白质在错误折叠后变成有毒的蛋白质并具有传染性。朊病毒更有名。即使没有脱氧核糖核酸和核糖核酸遗传物质,这些病毒仍然具有传染性,并最终会导致许多疾病,如疯牛病和克雅病。

如果错误折叠的蛋白质发生在神经系统,它将导致神经系统疾病,可以是非家族史或遗传性的,并且患病率随着年龄而增加(即错误折叠发生的概率增加),例如阿尔茨海默氏病和帕金森氏病。

此外,众所周知的癌症也是由蛋白质错误折叠引起的。例如,产生的错误酶物质引起细胞环境的变化,导致DNA突变等等,导致无限自我复制。

尽管科学家发现蛋白质折叠与记录在DNA中的氨基酸的“测序”(诺贝尔奖得主克里斯蒂安·安芬森)和氨基酸之间的相互作用(列文塔尔)有关,但在如此拥挤的“环境”中,蛋白质如何能以一种微妙的方式自行快速完成相应的折叠仍有许多谜团。

(真实细胞中蛋白质折叠的环境,图中的移动速度是真实生物细胞的1/100万)

蛋白质折叠的可能性高达10到300的次方,因此F@h项目是通过巨大的计算力来模拟和预测蛋白质折叠的情况,为克服各种医学问题提供帮助。

回顾过去,在医学上对付病毒的方法只有两种:特定的药物和疫苗。病毒的结构非常简单,由蛋白质外壳和遗传物质(脱氧核糖核酸或核糖核酸)组成。疫苗的作用是让人体免疫系统知道病毒的“面目”,从而产生相应的抗体并将其消灭。特定的药物“攻击”病毒的宿主或身体,阻止其繁殖和传播。无论哪种方式,都不能与“理解”病毒分开,识别的方式是病毒的蛋白外壳。

如上所述,蛋白质像机器一样工作。与宏观世界中的机器不同,蛋白质“工作”的基本原理是“吸收”一个分子,然后“释放”一个分子。特定的药物是以这种方式结合病毒蛋白质,这样蛋白质可以被应该持有它的“坏人”扔掉,从而达到消灭病毒的效果。

(蛋白质工作的基本原则)

这就是为什么F@h可以为攻克新的冠状病毒提供帮助,利用其蛋白质折叠模拟系统来模拟和计算病毒蛋白质外壳的特定折叠结构,为疫苗和特定药物的制造提供最直接的帮助。

如何加入F@h

在F@h的开发过程中,英特尔、谷歌、英伟达、AMD(前ATI)、索尼、苹果、戴尔等制造商结成联盟,支持Folding@home项目的开发。他们一直致力于改进软件并与第三方工具建立更好的接口,同时为项目提供系统、资金和服务器设备支持。

索尼还将其计算平台扩展到PS3和Xperia手机。尽管PS3客户端和安卓客户端一个接一个被移除,但它们将来可能会再次加入计算阵营。

因此,如果你现在想加入F@h,你首先需要一台电脑。基本上,10年前的电脑也可以参与。如果你有一个独立的视频卡,这当然是最理想的。

Cpu:

英特尔:奔腾4或更高

AMD:与奔腾4及更高版本相同

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