Latvijas Organiskās sintēzes institūts: mūsdienās bez HPC medikamentu izstrādi grūti iedomāties
“2022. gadā sapratām, ka mūsu klasteris ir diezgan novecojis. Tā atjaunošanai vajadzīgas milzīgas investīcijas, arī elektrības cenas bija diezgan augstas, tādēļ mūsu superdatoru izlēmām izslēgt un pilnībā pāriet uz RTU HPC centra klastera izmantošanu,” stāsta Dr. Kristaps Jaudzems, OSI Laboratorijas vadītājs.
Sadarbības aizsākums Eiropas projektā
Kā daudzām institūcijām Latvijā, kuras strādā ar augstas veiktspējas skaitļošanas (High-performance computing jeb HPC) infrastruktūras izveidi un attīstīšanu, finansējumu, lai spētu konkurēt un iespējams pat izvirzīties savas jomas vadošo pētniecības organizāciju vai zinātnisko institūciju priekšgalā, nākas meklēt Eiropas projektos. Tā tas bija arī OSI.
Ap 2015. gadu Eiropas projekta INNOVABALT ietvaros saņēma finansējumu HPC klastera izveidei savā institūcijā. “Izveidojām savu klasteri, bet Organiskās sintēzes institūtā nebija neviena speciālista, kurš mācētu šādu klasteri uzturēt. Tādēļ sazinājāmies ar RTU HPC centra vadītājuLauri (Lauris Cikovskis – aut.piez.), un jau tobrīd mums aizsākās veiksmīga sadarbība. Ieguvām palīdzību gan HPC klastera uzturēšanā, gan lietotāju atbalstā. Lauris mūsu uzņēmumā arī reizi gadā organizēja izglītojošos seminārus par HPC jomu,” sava veida iepazīšanās stāstā ar RTU HPC centru dalās K. Jaudzems.
Pērn OSI pieņēma lēmumu par savā institūcijā esošā superdatora darbības pārtraukšanu. Bija pienācis laiks, kad HPC klasterī jāinvestē, lai atjaunotu tā infrastruktūru. Tā OSI HPC resursus jaunu medikamentu radīšanai pilnībā sāka izmantot no RTU HPC centra. “Mēs sarēķinājām, ka izdevīgāk ir kļuvis HPC resursus nomāt, nevis uzturēt pašiem”, stāsta K. Jaudzems. Pašlaik programmatūra, kas nepieciešama jaunu zāļu modelēšanai uz HPC klastera, ir pilnībā savienota ar RTU HPC centru, tai skaitā, visas licences. Jaunais darbības modelis veiksmīgi darbojas.
Bez HPC resursu izmantošanas jaunu zāļvielu atklāšana ir neiedomājama
OSI galvenais darbības virziens ir jaunu zāļvielu atklāšana un pētniecība. Jauna zāļvielu atklāšana sākas ar aktīvo vielu meklējumiem. Praktiski dzīvē tas nozīmē – nepieciešams pārbaudīt miljoniem vielu un no miljoniem iespēju identificēt tās, kuras uzrāda bioloģisko aktivitāti.
Atklāt jaunas medikamentu formas tikai laboratorijās, uzturēt lielu savienojumu bibliotēku, ir ļoti dārgi un laikietilpīgi. “Tāpēc HPC kopā ar datormodelēšanu ir alternatīva pieeja, kas ļauj mums savienojuma aktivitātes pārbaudīt datorā. Šo procesu sauc par virtuālo skrīningu. Šādi mēs varam pārbaudīt miljoniem iespējamu jaunu zāļvielu savienojumu, no kurām atlasām apmēram 100 ar vislielāko potenciālu. Tālāk jau iegādājamies šos izvēlētos 100 paraugus un pārbaudām, vai superdatorā modelētais, vēlamo jaunās zāļvielas aktivitāti pierāda arī eksperimentā laboratorijā,” jauna medikamenta pašus pirmsākumus procesuāli ieskicē K. Jaudzems. Viņš atzīst, ka jaunu zāļvielu modelēšana ir pietiekami sarežģīts process, ne katrs tajā var specializēties.
OSI pie jaunu zāļvielu izstrādes strādā vairākas komandas: viena, kura modelē zāļvielu iespējas uz HPC, otri – kuri, saņemot HPC modelēšanas rezultātus, pārbauda tos dzīvajos eksperimentos laboratorijās un trešā, kas sintezē jaunas vielas, balstoties uz modeļiem un eksperimentu rezultātiem. Lai modelētu jaunas zāles uz superdatora, arī šai komandai jābūt spēcīgai ķīmijā. Bez tā visu darbinieku komandas droši vien ikdienā nespētu sarunāties vienā valodā. Arī HPC modelētājam jāsaprot, kāda reāli dzīvē izskatās un kā uzvedas molekula, ar kuru uz HPC tiek veikti eksperimenti.
Pārredzamā nākotnē varam gaidīt pret malārijas medikamentus
OSI izstrādā zāļvielas pret dažādām slimībām dažādās to indikācijās. Visvairāk resursu pēdējos gados ieguldīti, lai radītu jaunas zāļvielas pret infekciju slimībām. “Pašlaik esam diezgan tālu tikuši ar zāļvielu pret saslimšanu ar malāriju. Mums ir viens zāļu kandidāts, kuram drīzumā būtu jāuzsāk priekšklīniskie pētījumi.
Tāpat sadarbībā ar kolēģiem no Igaunijas un Norvēģijas izstrādājam pretvēža zāļvielas.
Valsts pētījuma programmas ietvaros uzsākām projektu ar pretkorona vīrusa zāļvielu izstrādi. Bija diezgan īss laiks, kurā vajadzēja iekļauties, bet mums izdevās iegūt negaidīti labus rezultātus. Mēs bijām pirmie, kuri izvēlējās strādāt ar inhibitoriem, kas nomāc vīrusa spējas izvairīties no cilvēka imūnās reakcijas un mums izdevās pat izveidot publikāciju, kuru citu valstu zinātnieki citēja. Šo konkrēto zāļvielu izstrādi turpinām attīstīt,” dažus no nākotnes medikamentu iespējamajiem attīstību virzieniem ieskicē K. Jaudzems.
Jaunu medikamentu izstrāde parasti ilgt padsmit gadu. OSI nodarbojas ar pētījumiem, kuri noslēdzas ar zāļvielu kandidātiem. Tālāk citi uzņēmumi ar konkrēto zāļvielu kandidātu veic pētījumus uz lielākiem dzīvniekiem, ja viss ir labi – uzsāk arī klīniskos pētījumus ar cilvēkiem.
Ar HPC izmantošanu būtiski paātrinājies zāļvielu izgudrošanas ātrums
“Ja agrāk, uzsākot jaunu zāļvielu izstrādi, pēc vairākiem gadiem, eksperimentējot laboratorijās, varēja kaut kas sanākt, bet bieži vien arī nesanāca, tad, ieviešot zāļvielu eksperimentos virtuālo skrīningu uz HPC, veiksmīgos gadījumos jau pirmā gada laikā izdodas atrast rezultātu, kuram ir augsts potenciāls kļūt par zāļu kandidātvielu,” stāsta K. Jaudzems.
Raitis Bobrovs OSI ir vadošais pētnieks Zāļvielu dizainu komandā. Tieši viņš ir tas eksperts uzņēmumā, kurš HPC resursus saved kopā ar citu zinātnieku darbu laboratorijās (un otrādāk – sadzird un izprot zinātnieku – OSI biologu un ķīmiķu – zinātnisko darbu procesu, lai superdatoram dotu vajadzīgās komandas jaunu zāļvielu modelēšanā).
“Pats pirmais, ar ko sāku – izpētu proteīnu, kuru pētīsim. Tikai tad sākas darbs uz HPC klastera – sagatavot sistēmu, sagatavot daudzos miljonus vielu, kurus uz HPC modelēsim un analizēsim. Tikai pēc tam, kad no miljoniem iespējamību ir atrasti 50 līdz 100 potenciāli reālākie savienojumi, pērkam savienojumus, lai laboratorijā tos testētu un vēlāk uzsāktu vielu sintezēšanu,” jauno zāļvielu modelēšanas procesu raksturo R.Bobrovs. Sistēmas sagatavošanas darbus viņš veic uz lokālā datora. Kad tas izdarīts, darbu nosūta uz RTU HPC klasteri, kas tālāk veic jauno iespējamo zāļvielu modelēšanu.
Mēģināsim izskaidrot skaitļos, cik ļoti paātrinās darbu rezultāts, izmantojot HPC resursus. R.Bobrovs min piemēru ar molekulāro skrīningu. Tā modelēšana notiek uz 1 kodola. Uzdevumu var sadalīt pa tik kodoliem, cik to ir pieejami. Salīdzinājumam – parastajam klēpjdatoram ir 4 vai 8 kodoli, HPC klasterim – vairāk nekā 1000, kas nozīmē – potenciālo zāļvielu modelēšanu var izdarīt vismaz 100 x ātrāk.
Aptuveni var izmantot arī šādu salīdzinājumu. 1 savienojums tiek pārbaudīts 1 sekundē uz 1 kodola. Ja modelēšanu veic uz 100 kodoliem, tie ir 100 iespējamie zāļvielu savienojumi 1 sekundē. Vajadzīgas 10 000 sekundes, lai pārbaudītu 1 miljonu jaunu zāļvielu savienojumu, kas ir nepilnas 3 stundas. Šādi strādājot, nedēļas laikā var pārbaudīt vairāk nekā 60 miljonus savienojumu.
“Darbs, kuru iedodu modelēt RTU HPC klasterim, parasti aizņem 1 līdz 2 dienas. Ja to pašu darbu veiktu uz sava datora, tas aizņemtu pus gadu vai arī mazliet vairāk,” ar vēl vienu salīdzinājumu HPC resursu efektivitāti skaidro R.Bobrovs.
Foto: jauna zālvielu modelēšana uz HPC klastera pret Covid-19 saslimšanai
Produktu izstrādē un ražošanā HPC klasteriem ir milzīgs potenciāls
“Mūsdienās, kad datormodelēšana tāpat kā datu uzkrāšana ir attīstījusies ļoti tālu, gandrīz visu iespējams modelēt, pamatojoties uz uzkrātajiem datiem. Uzņēmumiem, kuri nodarbojas ar produktu izstrādi un esošo produktu uzlabošanu, modelēšana uz HPC klastera ļoti var palīdzēt – gan iespējams samazināt izdevumus ražošanas procesā, gan paātrināt pašu ražošanas procesu,” par HPC resursu izmantošanu citās uzņēmējdarbības jomās komentē K. Jaudzems.
Kā vienu no galvenajām problēmām, kādēļ uzņēmējiem varētu būt grūti ieviest darbu uz superdatoriem – speciālistu trūkums. Latvijā nav universitāšu programmas, kurās šādus speciālistus gatavo. “Mums ir paveicies, ka esam atraduši HPC speciālistu, kuram pamata izglītība iegūta Latvijas Universitātes Ķīmijas fakultātē, kā arī ir bijusi iespēja pabūt 5 – 6 zinātniskajās vizītes uz pētnieciskajām grupām, kuras specializējas aprēķinu ķīmijā. Tur iegūta neaizstājama pieredze ar HPC klasteru izmantošanu,” tā K. Jaudzems.
Sagatavoja: Kintija Bulava, RTU HPC centrs
