Superpočítače – nedílná součást při vývoji léků

Proteiny neboli bílkoviny jsou základní stavební látkou všech buněk živých organismů. Jsou nezbytné pro správný chod celého organismu, neboť zastávají řadu funkcí — od tvorby svalů až po životně důležitou produkci hormonů a protilátek. Uplatnění nacházejí zejména v mnoha průmyslových procesech, například při výrobě potravinových doplňků nebo léků.

„Narušením struktury proteinů důsledkem škodlivých mutací může dojít ke ztrátě jejich funkce a vzniku mnoha závažných onemocnění. Pro vývoj originálních léčiv či vakcín je nezbytné rozklíčovat vztah mezí jejich strukturou a funkcí na molekulární úrovni,“ popisuje Jiří Damborský z Loschmidtových laboratoří proteinového inženýrství Masarykovy univerzity a Fakultní nemocnice u sv. Anny v Brně. Společně s IT4Innovations národním superpočítačovým centrem, které je součástí VŠB – Technické univerzity Ostrava, je do Centra PerMed zapojeno dalších 14 českých institucí. Cílem výzkumném projektu je vyvinout personalizované diagnostické metody a kandidáty léčiv, které budou pomáhat specifickým skupinám pacientů. Celý projekt je založen na interdisciplinární kombinaci medicíny, chemie, biologie a bioinformatiky.

Moderní výzkum v přírodních vědách se neobejde bez superpočítačů a specializovaných algoritmů. Vývoj nových bioinformatických nástrojů a obrovská výpočetní kapacita superpočítačů umožňuje simulovat tisíce až miliony experimentů, jejichž provedení v laboratořích by ani nebylo teoreticky možné. Například určení 3D konformace proteinu z jeho aminokyselinové sekvence vyžaduje měsíce experimentální práce a vysoce specializované technologie, zatímco počítače to díky výpočetním algoritmům na bázi strojového učení zvládnou za pár minut.

„Vývoj nových léčiv se dnes již neobejde bez specializovaných nástrojů a předpokládá také využití superpočítačů. To vše významně šetří náklady a čas. Využití superpočítačů umožňuje zaměřit laboratorní testování na ty nejperspektivnější sloučeniny. Díky použití těchto nejmodernějších technologií je možné vytvořit ty nejúčinnější léky,“ uvádí Branislav Jansík z IT4Innovations národního superpočítačového centra v Ostravě.

V rámci jedné z dílčích částí projektu Centra PerMed se superpočítačové centrum IT4Innovations zapojuje do vývoje softwaru pro modelování a analýzu proteinů. Vysoce specializované nástroje se zaměřují na počítačové studium proteinu a díky své rychlosti a přesnosti významně ulehčují vědeckým pracovníkům pochopení problematiky chemie proteinů. „V praxi to znamená, že si vědec analyzovaný protein vloží do softwaru, který jej na základě velkého množství dat v něm obsažených zanalyzuje. Protein je porovnáván s využitím rozsáhlých databází s ostatními proteiny, což umožňuje protein zařadit do jedné ze dvou kategorií: agregující a neagregující. Klasifikace proteinové agregace je důležitá pro velkoobjemovou produkci proteinů, stejně tak analýzu vlivu mutací na vznik neurodegenerativních onemocnění. Na základě výpočtů proběhnou testy v laboratořích, kde bude ověřeno správné zařazení proteinu do dané kategorie. Propojení softwaru se superpočítačovou infrastrukturou je důležité z hlediska rychlosti,“přibližují Jiří Damborský a Jan Martinovič fungování tohoto softwaru.

Tým superpočítačového centra spolupracuje s týmem z Loschmidtových laboratoří proteinového inženýrství hned na čtyřech softwarech. Dva vyvíjí úplně nově, u dalších dvou zdokonaluje již existující řešení. Cílem je, aby mohli software bez obav a jednoduše používat všichni ti, kteří se studiem proteinů zabývají, a to bez předchozí znalosti programování či informatiky. „Kromě uživatelské přívětivosti námi vyvíjená řešení slibují další výhody. Usilujeme o to, aby tyto nástroje dodávaly výzkumníkům více informací, byly přesnější a spolehlivější. Toho dosáhneme využíváním nejnovějších znalostí z oblasti strojového učení a aplikací zkušeností z předchozích projektů, na kterých jsme se podíleli,“ komentuje dále Jan Martinovič.

Softwary budou dokončeny na konci roku 2022 a následně bezúplatně zpřístupněny vědeckým pracovníkům.

Projekt Centra PerMed je financován z Programu na podporu aplikovaného výzkumu, experimentálního vývoje a inovací Národního centra kompetence Technologické agentury ČR.