Сотни тысяч человек за счет свободных ресурсов своих компьютеров помогают Стенфордскому университету исследовать процесс сворачивания белков в рамках проекта Folding@Home.

Это стало возможным благодаря применению технологии распределенных вычислений (Distributed Computing).

После старта нашумевшего проекта SETI@Home о распределенных вычислениях заговорили как о серьезной и недорогой альтернативе суперкомпьютерам. Исследователи с энтузиазмом восприняли идею привлечения вычислительных мощностей рядовых пользователей персональных компьютеров. Поэтому вскоре проекты распределенных вычислений активно ринулись завоевывать души и процессоры жителей всемирной паутины с целью решения самых разнообразных научных задач – от изучения свойств белков до поиска гравитационных волн звезд-пульсаров.

Чаще всего к нам, владельцам ПК, обращаются тогда, когда научные проекты требуют огромного количества вычислений, которые нецелесообразно и разорительно выполнять с помощью суперкомпьютеров или кластерных вычислительных сетей. Общую задачу обычно разбивают на ряд фрагментов-заданий, которые в произвольном порядке рассылаются для просчета участникам проекта посредством связки «сервер – компьютер».

Большинство публичных проектов распределенных вычислений носят некоммерческий характер, т.е. за участие не нужно ничего платить, но и получить денежное вознаграждение не рассчитывайте. Участие в подобном проекте сродни комфортному виду волонтерства: вас никто не призывает ехать в Южную Африку помогать прививать лесных пигмеев от лихорадки или ухаживать за безнадежно больными в хосписах. Все что требуется – поставить программу и не забывать загружать ее новыми заданиями.

Возможно, наиболее успешным и уж точно самым результативным проектом распределенных вычислений является проект Folding@Home, организованный Pande Group – академическим учреждением при Стенфордском университете. Проект своим появлением и успешной работой во многом обязан доктору Виждаю Панде (Vijay Pande), отмеченному в 2006 г. престижной наградой Ирвинга Сигала от Protein Society.

Целью проекта в общем виде является моделирование фолдинга (сворачивания в трехмерную структуру) важных белков человеческого организма. Эта задача представляет наиболее сложную проблему молекулярной динамики белков, так как решающая стадия фолдинга белка происходит практически мгновенно при взаимном влиянии множества факторов. Решение подобной задачи в виде отработки методов моделирования на экспериментально подтвержденных моделях сворачивания белков открывает перспективы исследования первопричин нарушений этого процесса, приводящих ко многим тяжелым заболеваниям. Эти исследования в конце концов должны привести к разработке новых лекарств и способов лечения многих форм рака, болезней Альцгеймера и Паркинсона, кистозного фиброза, склероза, диабета II типа, коровьего бешенства и др.

Определенных успехов в этой области проекту уже удалось добиться. Разработаны и экспериментально подтверждены методы моделирования фолдинга на примере малых белков. При этом времена сворачивания белков в лабораторных условиях совпали с продолжительностью этого процесса на компьютерных моделях.

Последующее моделирование протеина BBA5 (ставшего эталонным белком проекта) очень точно совпало с данными лабораторных исследований, что доказало эффективность алгоритмов расчетных ядер программного обеспечения и целесообразность моделирования более сложных белков.

Успешно завершены эксперименты по моделированию влияния молекул воды на сворачиваемость белков. Получены практические результаты в исследовании гена р53, мутации которого вызывают около половины всех известных раковых заболеваний. В рамках проекта впервые смоделирована структура искусственного протеина, полученного затем в лабораторных исследованиях. Более подробную информацию об этих и других достижениях проекта вы можете узнать из многочисленных публикаций в специализированных научных журналах (Science, Chemical Physics, Biophysical Journal, Computational Chemistry и др.), доступных на этой страничке.

Научный коллектив проекта Folding@Home ставит перед собой перспективную задачу создания усовершенствованных аналогов естественных белков, а также совершенно новых структур – так называемых синтетических «самосборных» протеинов с запрограммированной функциональностью. Появление подобных «протеиновых роботов» приведет к настоящей революции в медицине.

Так что у вас есть все шансы стать революционерами, если вы решите пройти курс молодого бойца, к примеру, в украинской команде распределенных вычислений. Не хотите считать за Украину? В проекте участвуют также сильные российские команды – наши коллеги и друзья. Выбирайте, ибо на вкус и цвет…

Благодаря четким практическим целям, хорошей научной базе и реальным результатам проект Folding@Home получил поддержку множества владельцев персональных компьютеров, обеспечившую суммарный вычислительный ресурс в 200 тысяч постоянно или периодически подключенных к проекту процессоров (из них тысяча – за командой из Украины). Задача моделирования фолдинга белков потребовала именно такого масштаба вычислительных ресурсов, и проект смог их получить только с помощью технологии распределенных вычислений. Для примера, мощные суперкомпьютеры редко состоят более чем из 10 тысяч параллельно работающих процессоров.

В первом приближении с технической точки зрения участие в проекте выглядит следующим образом. Пользователь сам закачивает и устанавливает вычислительный модуль – программу-клиент. На большинстве компьютеров процессор обычно загружен менее чем на 5-10%, поэтому вынужденно гоняет «пустые циклы» (можете в этом убедиться, если посмотрите «Диспетчер задач» операционной системы). На эти пропадающие даром 90-95% процессорной мощности и претендует во время работы программа распределенных вычислений. При этом пользователь не ощущает никаких неудобств – программа берет для себя низший приоритет в системе, не мешая работе других программ. Расчеты выполняются без присутствия машины в сети, соединение с Internet необходимо лишь для отправки результатов на сервер и получения нового задания.

Помимо осознания сопричастности к участию в проекте, результаты которого в перспективе могут спасти множество жизней и значительно продвинуть вперед биотехнологические исследования, необходимо отметить еще один важный аспект распределенных вычислений – соревновательную составляющую. Участники проектов объединяются в команды и соревнуются друг с другом (в Folding@Home число команд достигает 45 тысяч). Не менее напряженная борьба за место повыше кипит также внутри команд. Ведется точная статистика выполненных заданий и набранных очков. Все это на самом деле необыкновенно затягивает и стимулирует привлечение новых вычислительных мощностей, а следовательно – ускоряет исследования.

Для участия в проекте Folding@Home подходит любой персональный компьютер, имеющий постоянный или периодический доступ в сеть Internet. Клиентские программы существуют для Windows, Linux, Mac OS, FreeBSD или OpenBSD.

Более подробно о проекте, программном обеспечении для него и какое ко всему этому отношение имеет команда из Украины, вы можете узнать на нашем сайте, а все вопросы задать на нашем форуме.

Максим Малаховский (Arbalet), участник команды Ukraine, arbalet@gmail.ru –
специально для интернет-журнала «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/