Supercalculateurs et nouvelles technologies, éprouvettes actuelles en recherche biomédicale

À l'occasion de la Journée mondiale des maladies rares, le 28 février, le journal a annoncé qu'elles touchent 8% de la population mondiale, soit environ trois millions de personnes en Espagne, et que plus de 90% ne reçoivent pas de traitements spécifiques. Les associations médicales et concernées mentionnées par ce moyen ont demandé plus de recherche.

Bien qu'il reste encore beaucoup à faire, nous n'avons jamais abordé les pathologies aussi efficacement qu'aujourd'hui. Les méthodes de diagnostic et de traitement ont été perfectionnées au fil des siècles au moyen de différentes approches axées notamment sur les médicaments. À l’ère de la technologie, c’est au tour de un outil de laboratoire relativement nouveau, le calcul intensif, qui font déjà l’objet de tests au Centre de biologie moléculaire Severo Ochoa. Nous parlons du domaine de la biologie computationnelle ou de la simulation biologique.

Pendant longtemps, le sujet à l'essai était le peuple. Puis les animaux puis les tests ont été prises à des plaques in vitro; et enfin nous avons atteint in silico, une manière d’observer le comportement des médicaments vis-à-vis de nos protéines, par exemple, sans qu’il soit nécessaire d’exposer le patient final jusqu’à l’obtention d’un résultat cohérent. Médecine de super-ordinateur.

Pouvez-vous imiter un ordinateur comment un médicament va se comporter?

En partie, et avec de moins en moins d'erreur, un ordinateur peut imiter le comportement d'un médicament par rapport à un ensemble de protéines ou à certains tissus. C'est une approche fantastique de votre comportement réel chez un futur patient. L’être humain est un système très complexe, mais nous résolvons petit à petit le casse-tête. De nombreuses maladies d'origine virale, bactérienne ou associée aux protéines sont déjà en cours de résolution grâce à des simulations ou à l'équarrissage.

Mais les nouvelles technologies ne sont pas seulement utilisées dans les structures moléculaires, mais aussi dans amélioration du traitement et de la qualité de vie du patient. En fait, l'hôpital universitaire de La Paz ou la clinique San Carlos, tous deux situés à Madrid, ont introduit la réalité virtuelle (VR) dans leurs traitements. Pendant ce temps, dans d'autres parties de la planète, la réalité augmentée (RA) est utilisée lors de la planification d'opérations ou d'images conçues par ordinateur pour être diffusées et enseignées.

L’une des maladies à la une du centre de biologie moléculaire Severo Ochoa est la Syndrome de Cornelia de Lange, une altération génétique des anneaux de cohésine et l'une des maladies les plus rares qui existent en termes de nombre de personnes touchées. Et si nous obtenions un composé chimique qui corrige le comportement défectueux de la cohésine? Cela fonctionne.

Cependant, le problème auquel nous sommes confrontés dans la recherche expérimentale - dans ce cas la science espagnole - est une effectuer un grand nombre de tests pharmacologiques en peu de temps. Pour cela, l'optimum est d'effectuer les tests in silico (dans un ordinateur) et d’accélérer considérablement le processus.

Nous avons approché le centre Severo Ochoa et avons discuté de cette question avec Paulino Gómez-Puertas, responsable scientifique du CSIC. "Nous avons mis en place un système de conception de médicaments dans l'ordinateur - nous explique le chercheur - qui, dans ce cas, est dédié à l'étude de la structure des cohésines." L'objectif? Trouvez un médicament qui peut interférer avec ces protéines Pour arrêter la maladie.

Avons-nous besoin d'ordinateurs plus puissants pour simuler le comportement des protéines?

Oui, nous avons besoin d'eux. Les machines sont vraiment utiles dans les tâches mécaniques; L'intelligence artificielle et l'apprentissage en profondeur sont utilisés pour détecter différentes maladies, telles que les mélanomes ou les métastases, avec un taux de réussite élevé. Gómez-Puertas veille à ce que l'outil virtuel qu'ils ont conçu "se déroule très bien", mais reste lent lorsque vous travaillez avec des systèmes informatiques conventionnels. Ils sont mois d'informatique pour simuler des dizaines de milliers de composés. Mettons cela en perspective avec deux données:

  1. Pour calculer le mouvement d'une protéine de taille moyenne pendant environ 100 nanosecondes, il faut plusieurs jours d'informatique.
  2. Une protéine prend environ cinq à six secondes à se replier.

"Maintenant, nous allons environ dix millions de fois plus lentement que nous le devrions", explique le scientifique. Mais il y a de l'espoir. Selon Paulino, "simuler une microseconde il y a cinq ou dix ans n'était possible que pour un laboratoire de la planète ... maintenant tout le monde le fait".

Voilà pourquoi à Severo Ochoa ont investi dans le superordinateur IBM Power System AC922 avec deux processeurs IBM POWER9. Cette équipe apportera au centre la supercalculatrice dont elle jouit déjà au Centre de superinformatique de Barcelone avec l’un des supercalculateurs les plus puissants du monde: le MareNostrum. Bien sûr, maintenant orienté vers les cohésines.

Nous pouvons comprendre ce type d’équipement comme un accélérateur. Juan de Zuriarrain, responsable des systèmes cognitifs chez IBM, confirme que "le système POWER9 a été conçu pour le domaine de l'intelligence artificielle, spécialement pour aider les chercheurs et accélérer les processus". Ce matériel est capable de accélérer la charge de travail des scientifiques de 15 à 60 fois.

Pourquoi dédier ces ressources à une maladie rare?

Le syndrome de Cornelia de Lange affecte un peu plus de 100 personnes en Espagne. Cela semble un chiffre peu élevé pour le dévouement de tant de travail et de ressources par rapport à d’autres maladies. Cependant, la science ne fonctionne pas dans des compartiments étanches. Ce qui est découvert en utilisant ce supercalculateur IBM pourrait avoir un impact sur de nombreux autres domaines et sur les maladies associées, qu’il existe et qu’ils sont nombreux.

"Ces protéines ont également beaucoup d'influence sur certains types de cancer", confesse Paulino. Au cours de la culture, ils ont réussi à arrêter la division des cellules cancéreuses. Il est vrai que la culture n’est pas la même chose que l’application sur des personnes, mais ce sont des étapes encourageantes.

Comme le dit Paulino Gómez-Puertas, «nous sommes toujours au niveau de l’ordinateur, nous devrions passer à autre chose. in vitro et enfin à des tests avec des êtres vivants ", mais ce travail précédent élimine un grand nombre de tests physiques ultérieurs et, en outre, cela nous aide à apprendre le fonctionnement isolé de certains composés. Un autre avantage: la création de modèles informatiques fournit aux bibliothèques une connaissance de ce qui peut être utilisé à l'avenir pour d'autres recherches.

L'utilisation de techniques de modification génétique telles que CRISPR / Cas9 est un exemple de ce type d'apprentissage. Francisco J. M. Mojica et ses collaborateurs ont compris en 2010 qu'il existait une série de répétitions espacées dans le génome des archaea, des bactéries et des mitochondries. Aujourd'hui, ses recherches ont porté sur le meilleur outil d'édition moléculaire à ce jour.

Fold.it, AphaFold, IBM POWER9

Il y a quelques années, un jeu virtuel est apparu pour présenter au public la tâche complexe du repliement des protéines. Il s’appelle Fold.it et tout le monde peut jouer et même contribuer à la découverte d'une sorte de formule de pliage. Depuis un certain temps déjà, la recherche médicale s'intéresse aux protéines à la loupe et à AlphaFold, une intelligence artificielle capable de replier des protéines sans grand succès, en fait partie. Le système IBM Power System AC922 en est un autre.

Fold.it, AphaFold et IBM POWER9 sont des outils au même titre que les boîtes de Pétri, les aiguilles, les éprouvettes ou les logiciels. Avec eux, les chercheurs peuvent générer plus de connaissances en moins de temps. C’est l’un des objectifs du supercalculateur installé au Centre de biologie moléculaire Severo Ochoa.

L'IBM Power System AC922 dispose de bus de communication particulièrement larges et a en outre réussi à consolider une technologie qui les rend particulièrement rapides. Traduit: la communication entre les cartes de calcul parallèles et les processeurs est beaucoup plus rapide que les systèmes de calcul précédents. C'est comme passer du boulier à la calculatrice et utiliser cette dernière pour rechercher de nouvelles références médicales.

Une informatique plus rapide est transformée en laboratoire en moins de temps de recherche pour obtenir les mêmes résultats. Par conséquent, des laboratoires du monde entier investissent dans des équipements plus avancés qui nous permettent de faire un bond en avant dans la génération de connaissances.

Quelle serait la prochaine étape? Informatique quantique Il y a quelques semaines à peine, IBM a lancé le premier système informatique quantique universel conçu pour un usage scientifique et commercial, le Système Q 1. Il est accessible depuis le cloud aux établissements universitaires, aux laboratoires de recherche et aux sociétés membres du réseau IBM Q. Le compte à rebours pour voir vos réalisations est en cours.