计算治疗艾滋病的方法

艾滋病毒/艾滋病已经造成大约3600万人死亡,根据世界卫生组织,世界仍然是一个主要威胁。今天,大约有3500万人感染了人类免疫缺陷病毒(HIV),其中超过一百万人在美国。

艾滋病毒变异和抵制毒品的趋势使得很难根除。一些治疗显示进展放缓甚至停止病毒的进展,但没有治疗或疫苗发现才能真正消灭这种疾病。

在过去的十年中,科学家们已经开始使用一种新的武器来对抗艾滋病毒:超级计算机。

科学家利用成千上万的计算机处理器同时更好地了解艾滋病病毒感染与细胞相互作用,发现或设计新的药物可以攻击病毒在其弱点,甚至使用基因信息的变异病毒开发针对病人的治疗。

研究人员使用超级计算机来研究艾滋病病毒是克劳斯•舒尔腾主讲人在2014年的国际超级计算机大会上,德国莱比锡本周早些时候举行。斯考尔滕,伊利诺伊大学香槟分校的物理学教授,发明了纳米分子动力学(NAMD)软件程序,使用最广泛的工具之一对理解疾病在分子水平上。

支持由美国国家科学基金会(NSF)和使用的一些国家最强大的超级计算机,研究团队正在推动我们知道艾滋病的限制,以及我们如何对待它。

下面是9例子科学家是如何应用的大规模计算能力和计算技术与疾病作斗争。

1)建模艾滋病毒:从原子到行动

为了让艾滋病毒感染非区分细胞,HIV病毒必须进入细胞并诱使细胞蛋白作为监护人,引导病毒对细胞核和帮助它它的基因整合到细胞的基因组。这种感染过程为医学干预提供了机会和可能建议新的艾滋病毒治疗。然而过程的动力学只能“观察”,通过计算建模与仿真。

艾滋病毒衣壳或外壳的大小,结合其形状不规则,一直阻止科学家模拟完整的衣壳结构具有足够的分辨率。但研究人员从克劳斯斯考尔滕集团伊利诺伊大学香槟分校使用同意Blue Waters超级计算机,观察衣壳与毒品和宿主蛋白质相互作用在原子水平。模型,包括约1300蛋白质和400万原子,目前最大的入口结构生物信息学研究合作实验室蛋白质数据银行,存储库的大型生物分子的三维结构数据。

2)发现口袋里藏在艾滋病毒蛋白质为新抑制剂导致的想法

圣地亚哥加州大学的研究人员;索尔克生物研究所和国家癌症研究所合作努力发现新的候选药物对抗HIV。

圣地亚哥超级计算机中心的帮助下,科学家们跑运动的分子模拟捕捉病毒表面的一个小口袋,他们认为可以有针对性的药物来防止病毒的复制。使用口袋作为目标,他们几乎筛选数以千计的化合物和测试16块艾滋病毒感染的能力在人类组织的文化。最终,他们发现了两种化合物抑制艾滋病毒复制和块逆转录酶的活性主要有效fda批准的药物,奈韦拉平。研究人员认为这些化合物有可能发展成为未来的药物和进一步探索。

3)防止艾滋病毒达到成熟状态

成熟的艾滋病病毒的衣壳是由成千上万的相互关联的蛋白质,像一套盔甲在病毒的遗传物质。如果这个armor-like结构不形式,那么病毒不能感染细胞。

芝加哥大学的研究人员们用巨妖超级计算机在国家机构(nic)计算机科学研究成熟的艾滋病毒衣壳是如何形成的。他们发现,看似复杂的衣壳的自组装行为相对简单,一旦他们理解蛋白质的形状和行为了。工作先进我们对艾滋病毒生命周期的理解和激励新药的开发破坏病毒的增长。结果出现在生物物理期刊2012年10月。

4)众包治愈

科学家一再失败后拼凑的蛋白质切酶的结构起着重要的作用在艾滋病毒,他们呼吁FoldIt玩家的在线拼图游戏,找到一个解决方案。使用FoldIt,“公民科学家”能够确定酶的折叠和解决其结构的奥秘。进一步的帮助游戏玩家,研究人员能够识别目标药物中和酶。

FoldIt的实验研究项目由NSF和由华盛顿大学的游戏科学中心的协作与威斯康辛大学生物化学系。众包的情况下蛋白质结构作为一个关键的例子目的的游戏可以解决实际问题的能力。

5)虚拟筛选的艾滋病毒抑制剂

来自宾夕法尼亚州的一组研究人员利用计算机建模和虚拟筛选,由超级计算机,确定新型抑制剂的艾滋病毒和更好地理解它们如何与艾滋病病毒反应。他们专注于小分子,阻止人体细胞表面的受体之间的相互作用和艾滋病毒感染的重要蛋白质表面的信封。

使用昏暗光线下系统在匹兹堡有着超级计算中心,研究人员几乎超过1000万种化合物筛选发现小分子,是一个很好的适合的蛋白质分子,他们的目标。从1000万年,他们发现了6、小分子、艾滋病毒表面蛋白复合物显示绑定的独特模式。综上所述,他们构成了研究人员认为是一个强大的类抑制剂对抗HIV的条目。

6)膜的影响

一些蛋白质锚HIV细胞膜被认为促进病毒的发展。研究人员发现,实验方法与计算机模拟相结合可以揭示cell-binding动力学。

Hirsh南达国家标准与技术研究所的领导一个研究小组研究的初始阶段形成的新艾滋病毒在受感染细胞内病毒颗粒。在这第一步,艾滋病毒蛋白质锁到细胞膜上。

使用巨妖超级计算机的网卡,南达的团队能够研究的力量,控制蛋白质在膜组件的更多详细信息和更快的比如果他们使用他们的实验室的电脑。海妖也大大加速了中子散射实验数据的分析,他们用来比较与模拟。

模拟揭示了同时,一个重要的HIV病毒表面蛋白与细胞膜结合,病毒RNA,以改变形状。还显示的是另一个艾滋病毒蛋白之间的转换和扩展结构紧凑锚定到细胞膜。这些发现是鼓舞人心的中心膜相互作用的新治疗方法。

7)计算特定病人的治疗方法

医生知道,有许多不同的菌株的艾滋病毒和疾病的药物没有所有人的相同的效果。微妙的菌株之间的遗传差异和个体导致一系列的治疗结果。使用NSF-supported怪和Ranger超级计算机,来自伦敦大学和罗格斯大学的研究人员决定的形状的关键蛋白质参与艾滋病毒感染个体病人,然后排名最有可能阻止药物分子的活动。

项目研究人员如何使用基因测序技术和大规模计算在近实时设计特定的治疗方案。在未来,预计这种类型的特定的药物选择将成为常态。

研究年会上报道的美国科学促进会发表在理论和计算化学杂志》上。

8)准备下一代继续战斗

麻省莫瑞麦克学院的,学生正在学习进行虚拟筛选使用的超级计算机。虚拟筛选使用的计算方法来确定小分子可能绑定到一个已知的药物目标,通常一种蛋白质。该方法已成为一个有价值的工具对许多生物技术和制药公司。

活动使学生大量的计算资源和显示他们的方法进行科学一些以前所不知道的存在。许多的方法之一,教育者在全国开始准备学生未来的劳动力将计算技术融入到他们的课程。

9)一个男孩与野兽

当阿尔芒污垢是10方方面面在马萨诸塞州列克星敦高中,他创建了一个地图和时间表,确定当艾滋病毒到达美洲,以及这些大洲何时何地艾滋病毒蔓延。为此,舱底结合分子测序软件和同意高性能计算资源。

作为课外电脑俱乐部的一员,舱底使用一个软件叫兽来创建一个详细的进化树,基于异同在3000核苷酸亚基基因的400个已知的艾滋病毒菌株。软件运行在颁发科学网关(系统发育研究的计算机),圣地亚哥超级计算机中心开发的公共资源和支持,通过NSF允许那些有兴趣研究地球上几乎所有物种进化关系。

舱底水的结论支持艾滋病专家以前公布的结果表明,“一个介绍病毒在海地的1900年代中期导致其分散在美国大陆。”The project won首先在生物学2012年马萨诸塞州科学与工程公平。

---

---