Cray XT3 помогает в исследовании лекарственной устойчивости бактерий

Сиэтл, 27 марта, - Компания Cray Inc., признанный лидер в области суперкомпьютинга, сообщила о том, что с помощью суперкомпьютера Cray XT3 исследователи смогли выяснить, каким образом бактерии вырабатывают устойчивость к антибиотикам. Система Cray XT3, получившая название BigBen, используется биофизиками для моделирования сложных процессов, которые помогут объяснить, каким образом созданные бактериями ферменты блокируют действие антибиотиков, таких как пенициллин и других лекарств на его основе.

По данным Совета здравоохранения Америки, около 14000 жителей этой страны умирают каждый год из-за того, что существующие антибиотики перестают быть эффективными. Бактерии быстро размножаются и мутируют, поэтому они постоянно вырабатывают вещества, нейтрализующие действие препаратов. Молекулярные биологи используют высокопроизводительные компьютеры, такие как Cray XT3, для того чтобы успевать создавать новые средства борьбы с болезнетворными бактериями быстрее, чем те вырабатывают новые средства защиты.

"Клиническое использование бета-лактамов, самого распространенного на сегодняшний день типа антибиотиков, значительно стимулировало эволюцию бактерий, послужив причиной появления нескольких новых защитных механизмов", - сказал биофизик Маттео Дель Пераро (Matteo Dal Peraro) из университета Пенсильвании. "Одним из самых эффективных механизмов защиты бактерий является синтез бета-лактамазов, группы ферментов, блокирующих действие антибиотиков. Самыми опасными из появившейся в процессе эволюции этой группы являются ферменты метало-бета-лактамазы, поскольку в них содержится цинк. На бактерии, в которых присутствуют эти ферменты, не действуют многие лекарства, при этом если они содержатся в большом количестве, то создают серьезную угрозу здоровью человека".

Дель Пераро совместно с профессором Майклом Клейном (Michael Klein), директором Центра молекулярного моделирования Университета Пенсильвании, проводят множество опытов как по изучению ферментов, так и того, каким образом ферменты катализируют биологические реакции. "Для нас суперкомпьютер Cray XT3 является самым производительным из доступных вычислительных ресурсов", - сказал Клейн. "Использование такой вычислительной мощности позволит нам заниматься проектами, реализация которых ранее не могла быть выполнена за разумное время".

Несмотря на проведенное дорогостоящее исследование, роль цинка в реакциях ферментов метало-бета-лактамазы до сих пор до конца не ясна. Клейн и Пераро разработали систему моделирования, которая позволяет изучать конкретный фермент с помощью метода, использующего комбинацию квантово-механического и молекулярно-механического подходов. Когда в конце 2005 года стал доступен BigBen, ученые начали использовать его для создания параллельной системы моделирования, в которой одновременно изучались несколько реакций выработки ферментов, при общем времени моделирования около 100 пикосекунд (100 триллионных частей секунды).

Одним из сделанных ими открытий было то, что формула фермента с двумя атомами цинка является наиболее эффективной и самой опасной с точки зрения блокирования действия антибиотиков. Еще одним открытием стал тот факт, каким образом ионы цинка изменяют свой способ соединения с другими группами молекул (аминокислотами и жидкостями) для проведения каталитической реакции.

"Данный факт изменения координации металла является чрезвычайно важным в понимании механизмов работы ферментов", - сказал Дель Пераро. "Это очень сложная задача - отследить такие движения, поскольку они происходят очень быстро, и кроме того, цинк и другие переходные металлы невидимы для большинства средств спектроскопии. Но с помощью суперкомпьютера Cray XT3 мы можем промоделировать процессы реакции и "увидеть", что происходит в этот крошечный отрезок времени".

Суперкомпьютерный центр Питтсбурга, где расположена система Cray XT3, недавно удвоил ее производительность, которая теперь составляет более 21 терафлопс (триллион операций с плавающей точкой в секунду).

Статья "Влияние содержания цинка на каталитическую эффективность метало-бета-лактамазы B1", авторы Дель Пераро, Клейна, Паоло Карлони и Алехандро Вила, была опубликована в Журнале американского химического сообщества, выпуск 129(10), 2802-2816 (2007). Подробнее на сайте http://www.psc.edu/science/2006/enzyme/.

Читайте другие статьи серии Суперкомпьютерные технологии рядом с нами.

© Лаборатория Параллельных информационных технологий НИВЦ МГУ