Распределенные вычисления: поиск лекарства от рака

Каждый четвертый человек в мире страдает от рака. Эта болезнь имеет высокий уровень смертности, пациенты страдают от побочных эффектов существующих сегодня лекарств, а цена многих лекарств высока. Поэтому поиск эффективного лекарства от рака – одна из приоритетных задач человечества.

Благодаря росту вычислительной мощности персональных компьютеров свой вклад в поиск лекарства может внести любой пользователь ПК. Каждый из вас может подключиться к проекту поиска лекарства United Research, который проводится совместно с химическим факультетом Оксфордского университета и Национальным фондом США по исследованию рака. Для участия вам просто нужно скачать небольшую бесплатную программу, которая может работать как скрин-сейвер: она будет включаться во время бездействия компьютера и производить соответствующие вычисления. Кроме того, программа может работать параллельно с вами (скажем, если вы используете средства типа Word или Excel, которые незначительно нагружают процессор) – при этом она запускается с низшим приоритетом, и не будет мешать вашей деятельности.

Для участия в проекте не нужно ничего платить, и программа не принесет вреда вашему компьютеру. Программа не будет искать или передавать в сеть какие-либо ваши данные. Она просто будет использовать свободную вычислительную мощность вашего компьютера для поиска молекул, которые могут помочь в разработке лекарства по лечению рака. Каждый отдельный компьютер анализирует несколько молекул, а затем отсылает полученный результат обратно по Интернету для дальнейших исследований.

Проект является самым масштабным проектом распределенных химических вычислений из всех, когда-либо проводившихся. Авторы проекта надеются на сознательность и добровольное участие людей – ведь мы работаем, в конечном счете, на себя. Даже новейшие суперкомпьютеры не идут ни в какое сравнение с суммарной мощностью сотен тысяч энтузиастов по всему миру.

Статистика показывает, что на сегодняшний момент в проекте участвуют около 900 000 пользователей и около 1 900 000 компьютеров. Общее вычислительное время, потраченное на проект, уже составило 165 тысяч лет. За это время пользователи получили 17 миллиардов очков и обработали 164 миллиона заданий. Каждый день работы проекта приносит примерно 250-300 лет вычислительного времени. Это огромная цифра.

После скачивания программы вам предлагается зарегистрироваться – ввести свое имя и пароль. После этого вам будут начисляться очки. В принципе, вы можете объединиться с кем-нибудь в команду. Программа будет накапливать ваше вычислительное время (к примеру, на иллюстрации оно уже равно 2 дням и за это время было заработано 1186 очка). В левой нижней части окна программы показывается вычислительное время, потраченное на текущее задание (41 минута) и ход текущего задания (16%). После завершения задания вам будет предложено отправить его в Интернет (объем – примерно 1 Мб) и закачать новое задание (объем – примерно 200 кб). Причем если вы работаете по модему, то программа выполнит эти операции в тот момент, когда вы будете подключены в сеть.

В правой нижней части экрана вы можете сравнить по мощности свой компьютер с компьютерами других участников проекта.

Этот экран показывает 3-мерную структуру молекулы. При работе программы в качестве скрин-сейвера именно такая картинка будет выводиться на экран при бездействии компьютера.

На экране настроек вы можете указать работу программы в качестве скрин-сейвера (галочка Run only as Screen Saver) и выбрать время запуска – через 5 минут после последнего действия пользователя.

Если вы работаете через корпоративную сеть, то вы можете выбрать несколько вариантов подключения через прокси-сервер (Proxy Settings).

Зачем это необходимо?

Во-первых, мы должны найти лучшее средство от рака. За последние 50 лет исследования в области поиска лекарства от рака привели к получению около 40 лекарств. Эти лекарства уже продлевают жизнь многих людей, но цена их высока. Побочные эффекты противораковой терапии иногда оказываются по своему действию не лучше самой болезни. Эти эффекты настолько опасны, что зачастую они приводят к ограничению дозировки противораковой терапии. И половину больных раком мы сегодня не можем вылечить даже с помощью современной терапии.

Несмотря на эти недостатки, терапия является очень дорогой – на лечение рака уходят огромные средства. Лечение рака отнимает около 6% всего бюджета медицины. По данным Национального института здоровья США на рак было потрачено $37 миллиардов только на лекарства, а $11 миллиардов составляют косвенные убытки, связанные с потерей трудоспособности. Если мы сможем найти новое эффективное лекарство, то мы сможем снизить как затраты на лечение рака, так и страдания больных, получающих противораковую терапию.

Высокий уровень смертности, страдания пациентов и высокая цена лечения – вот три фактора, по которым поиск лекарства от рака можно считать приоритетным. От рака не застрахован никто, и сегодня вы можете внести свой посильный вклад в свое будущее и в будущее своих детей.

Во-вторых, мы отрабатываем новый инструмент для поиска лекарства. Даже с учетом расширенной предварительной фильтрации, минимальное количество молекул для тестирования в проекте составляет примерно две сотни миллионов для каждого протеина – огромное число. Анализ такого количества молекул потребовал бы огромной вычислительной мощности. При таком числе молекул даже суперкомпьютеры оказываются бесполезны – их мощность ограничена. Даже если работа будет выполняться в три раза быстрее мощности самого лучшего суперкомпьютера, исследователь не получит результат в течение своей жизни. Однако благодаря модели распределенных вычислений сотни тысяч или даже миллионы компьютеров одновременно работают над проектом, что позволяет существенно уменьшить время на расчет молекул.

Как происходит поиск лекарства?

Просмотр и поиск молекул – это всего лишь одна часть процесса поиска лекарства от рака. Для того, чтобы начать этот этап, уже были проведены масштабные исследования, а когда процесс поиска нужных молекул будет завершен, от ученых потребуется проведение еще большей работы перед получением лекарства. Ниже приведены все этапы исследования.

Начало - в лабораториях

Первым шагом явился анализ различных исследовательских проектов и совместная работа лабораторий по идентификации целевых протеинов.

Вторым шагом является выборка и получение доступа к молекулярным данным. Ни одна организация не имеет списка всех "лечебных" молекул, которые смогут удовлетворить необходимым критериям. Различные каталоги молекул принадлежат десяткам университетов и компаний по всему миру. Несколько организаций согласились предоставить свои каталоги молекул для проекта.

Затем следует предварительная высокоуровневая фильтрация. В ней из проекта удаляются все молекулы из каталога, которые будут слишком большие по размеру, нерастворимы в воде или слишком нестабильны.

Затем – виртуальный просмотр и поиск молекул

Следующий этап проекта выполняется в данное время. Библиотека молекул (лигандов) разделена на рабочие блоки, которые распределяются по участникам проекта. Каждый рабочий блок состоит из многих молекул, и каждый блок выдается отдельному участнику. Участники проекта получают свои молекулы, целевой протеин и затем программа оценивает их взаимодействие.
Каждый лиганд будет протестирован, и каждое взаимодействие будет "оценено" программой. Как только все молекулы в задании будут проанализированы, программа отошлет полученную информацию на сервер проекта для обработки и загрузит новый блок молекул.

Затем результаты будут собраны вместе. Молекулы, показавшие наилучшие результаты, будут проходить сложный процесс анализа. При этом будет создаваться структура, необходимая для создания лекарства.

Последние этапы

В определенный момент времени виртуальные молекулы приведут к получению вещества. Исследовательские лаборатории затем синтезируют и протестируют молекулы в лаборатории. При этом права на результаты исследования будут принадлежать исключительно некоммерческим или правительственным организациям.

Затем последуют лабораторные исследования лекарства, а потом придет и этап массового производства лекарства, которое уже будет помогать пациентам. Поиск молекулы – это хорошее начало пути по поиску лечения от рака, но биохимическая реакция – это далеко не все, что нужно. Необходимо убедиться, что молекулы будут работать в теле человека. При этом должна существовать и возможность их создания, чтобы из них получилось долгожданное лекарство.

Где получить программу?

Вы можете скачать ее с сайта United Devices. Программа занимает 1,6 Мб.

Заключение

Проблема рака – одна из острейших проблем человечества. В наших силах помочь поиску лекарства. По отдельности персональные компьютеры слишком слабы, но в сумме они составляют огромную вычислительную мощь. Возможность помочь у вас уже есть. Будете ли вы ее реализовывать – решайте сами.

Дополнительные материалы

• Распределенные вычисления - российский проект распределенных вычислений.
• ДОНОРЫ или ДАРИТЕЛИ - статья на SandyTimes, которая послужила толчком к написанию этого материала.