Vědci z Národního superpočítačového centra IT4Innovations vyvíjí specializovaný software, který umožní jednoduše a rychleji zkoumat proteiny. Pokrokový výzkum otevírá nové možnosti pro vývoj léků na nemoci jako jsou například Alzheimerova či Parkinsonova choroba.
Proteiny neboli bílkoviny jsou základní stavební látkou všech buněk živých organismů. Jsou nezbytné pro správný chod celého organismu, neboť zastávají řadu funkcí — od tvorby svalů až po životně důležitou produkci hormonů a protilátek. Uplatnění nacházejí zejména v mnoha průmyslových procesech, například při výrobě potravinových doplňků nebo léků.
„Narušením struktury proteinů důsledkem škodlivých mutací může dojít ke ztrátě jejich funkce a vzniku mnoha závažných onemocnění. Pro vývoj originálních léčiv či vakcín je nezbytné rozklíčovat vztah mezí jejich strukturou a funkcí na molekulární úrovni,“ popisuje Jiří Damborský z Loschmidtových laboratoří proteinového inženýrství Masarykovy univerzity a Fakultní nemocnice u sv. Anny v Brně. Společně s IT4Innovations národním superpočítačovým centrem, které je součástí VŠB – Technické univerzity Ostrava, je do Centra PerMed zapojeno dalších 14 českých institucí. Cílem výzkumném projektu je vyvinout personalizované diagnostické metody a kandidáty léčiv, které budou pomáhat specifickým skupinám pacientů. Celý projekt je založen na interdisciplinární kombinaci medicíny, chemie, biologie a bioinformatiky.
Moderní výzkum v přírodních vědách se neobejde bez superpočítačů a specializovaných algoritmů. Vývoj nových bioinformatických nástrojů a obrovská výpočetní kapacita superpočítačů umožňuje simulovat tisíce až miliony experimentů, jejichž provedení v laboratořích by ani nebylo teoreticky možné. Například určení 3D konformace proteinu z jeho aminokyselinové sekvence vyžaduje měsíce experimentální práce a vysoce specializované technologie, zatímco počítače to díky výpočetním algoritmům na bázi strojového učení zvládnou za pár minut.
„Vývoj nových léčiv se dnes již neobejde bez specializovaných nástrojů a předpokládá také využití superpočítačů. To vše významně šetří náklady a čas. Využití superpočítačů umožňuje zaměřit laboratorní testování na ty nejperspektivnější sloučeniny. Díky použití těchto nejmodernějších technologií je možné vytvořit ty nejúčinnější léky,“ uvádí Branislav Jansík z IT4Innovations národního superpočítačového centra v Ostravě.
V rámci jedné z dílčích částí projektu Centra PerMed se superpočítačové centrum IT4Innovations zapojuje do vývoje softwaru pro modelování a analýzu proteinů. Vysoce specializované nástroje se zaměřují na počítačové studium proteinu a díky své rychlosti a přesnosti významně ulehčují vědeckým pracovníkům pochopení problematiky chemie proteinů. „V praxi to znamená, že si vědec analyzovaný protein vloží do softwaru, který jej na základě velkého množství dat v něm obsažených zanalyzuje. Protein je porovnáván s využitím rozsáhlých databází s ostatními proteiny, což umožňuje protein zařadit do jedné ze dvou kategorií: agregující a neagregující. Klasifikace proteinové agregace je důležitá pro velkoobjemovou produkci proteinů, stejně tak analýzu vlivu mutací na vznik neurodegenerativních onemocnění. Na základě výpočtů proběhnou testy v laboratořích, kde bude ověřeno správné zařazení proteinu do dané kategorie. Propojení softwaru se superpočítačovou infrastrukturou je důležité z hlediska rychlosti,“ přibližují Jiří Damborský a Jan Martinovič fungování tohoto softwaru.
Tým superpočítačového centra spolupracuje s týmem z Loschmidtových laboratoří proteinového inženýrství hned na čtyřech softwarech. Dva vyvíjí úplně nově, u dalších dvou zdokonaluje již existující řešení. Cílem je, aby mohli software bez obav a jednoduše používat všichni ti, kteří se studiem proteinů zabývají, a to bez předchozí znalosti programování či informatiky. „Kromě uživatelské přívětivosti námi vyvíjená řešení slibují další výhody. Usilujeme o to, aby tyto nástroje dodávaly výzkumníkům více informací, byly přesnější a spolehlivější. Toho dosáhneme využíváním nejnovějších znalostí z oblasti strojového učení a aplikací zkušeností z předchozích projektů, na kterých jsme se podíleli,“ komentuje dále Jan Martinovič.
Softwary budou dokončeny na konci roku 2022 a následně bezúplatně zpřístupněny vědeckým pracovníkům.
Projekt Centra PerMed je financován z Programu na podporu aplikovaného výzkumu, experimentálního vývoje a inovací Národního centra kompetence Technologické agentury ČR.