GPU 如何與變形病毒的演變並駕齊驅

作者 Tonie Hansen

編輯手札:此為五篇介紹 NVIDIA 2015 全球影響力大獎得主專文的最後一篇。NVIDIA 全球影響力大獎提供15萬美元的獎金,給在運用 NVIDIA 技術解決社會、人道及環境問題方面,出現突破性進展的研究人員。其它文章請見這裡

對全人類的健康來說,病毒都是一大威脅,它們突變的速度就跟用於治療的疫苗和藥物發展速度一樣快。

人類免疫缺陷病毒(HIV)會隨著抗病毒藥物和治療方法而改變,意謂著得不斷研製新的藥物。

  HIV 蛋白殼

HIV 蛋白殼

科學家為了趕上影響人類健康的病毒及其它細菌快速變化的腳步,伊利諾伊大學厄巴納香檳分校的科學家捨棄了顯微鏡,改為採用超級電腦來分析多個來源的資料。

研究細胞與病毒間複雜的交互模式,或許能找出中斷這些互動關係的治療方法。

伊利諾伊大學厄巴納香檳分校物理學教授 Klaus Schulten 表示:「我們在做實驗的同時也使用電腦,緊密結合實驗數據與電腦運算,電腦也成為我們的研究儀器之一。」

這項研究使得伊利諾伊大學厄巴納香檳分校成為 NVIDIA 2015 全球影響力大獎的五名得主之一。NVIDIA 全球影響力大獎提供15萬美元的獎金,給在運用 NVIDIA 技術解決社會、人道及環境問題方面,出現突破性進展的研究人員。

化學戰

科學家使用搭載 GPU的超級電腦加上嶄新研究方法和演算法進行分子模擬、視覺化和分析,模擬整個 HIV 等人類病毒複雜的原子結構。

想要分解有著奇形怪狀的大尺寸 HIV 蛋白殼化學結構,實為難上加難。

Schulten 說:「蛋白殼的化學物質與受感染細胞的化學物質間,有著難分難解的交互關係。蛋白殼本身就有四百萬個原子,而蛋白殼四周的生理性液體更有六千萬個原子,需要極強大的演算法才能進行模擬,唯有派出超級電腦才能做到。」

HIV 病毒必須進入細胞以化學交互方式來感染細胞,並躲避細胞防禦機制的攻擊。這些防禦機制想在 HIV 蛋白殼造成傷害之前先破壞它,並將病毒基因訊息注入細胞基因組。

「這就是化學戰,我們得明白這個過程才能開發新藥。」Schulten 說。

他說:「模擬病毒感染的過程與健康習習相關,想想流感季節、麻疹爆發及伊波拉病毒就知道。病毒太聰明了,我們需要掌握感染的方式,才能找出疫苗和治療方法。」

  四個蛋白殼。想要分解有著奇形怪狀的大尺寸 HIV 蛋白殼化學結構,實為難上加難。

四個蛋白殼。想要分解有著奇形怪狀的大尺寸
HIV 蛋白殼化學結構,實為難上加難。

交互作用

在評估細胞裡 HIV 蛋白殼的動態,科學家運用龐大的運算能力,研究感染週期裡細胞與病毒蛋白殼間交互作用的化學作用。

研究人員運用橡樹嶺國家實驗室裡的 Titan 與伊利諾大學國家超級電腦應用中心的 Blue Waters,這些世上最高速電腦裡的 GPU 來進行研究。

Schulten 說:「我們使用 GPU 將運算速度加快三倍,也大量採用次世代的GPU,如此就能將模擬內容套用到更多種感染細胞的病毒上。」

強大的單一處理器電腦得花上二十年,才能處理複雜的細胞結構資料,「現在只要20分鐘。」Schulten 說。

Schulten 與他的團隊現正使用將於2018年推出的電腦,準備相關技術的後續發展。