Gibt es einen Computer? Schalten Sie Ihr Telefon ein und beteiligen Sie sich an der Forschung zum neuen Coronavirus!

Solange Sie über einen Computer mit Internetzugang verfügen, können auch Sie bei der Bekämpfung der Epidemie helfen.

Die folgende Animation simuliert das veränderte Erscheinungsbild des Spike-Glykoproteins des neuen Coronavirus in der realen Welt. Dieses Protein ist sehr wichtig und der Schlüssel zum Eindringen des Virus in Zellen. Dieser Erfolg wird als Orientierung für die Entwicklung antiviraler Medikamente dienen.

Dynamische Simulation des SARS-CoV-2-Spike-Glykoproteins. Das neue Coronavirus dringt in menschliche Zellen ein, indem es über das Spike-Glykoprotein an das ACE2-Rezeptorprotein auf menschlichen Zellen bindet | Twitter: @Greg Bowman

Man könnte meinen, dies sei von Wissenschaftlern mithilfe großer und teurer wissenschaftlicher Instrumente erzeugt worden. Tatsächlich aber stammt dieses Ergebnis von den PCs von Hunderttausenden von Normalbürgern. Dieses Projekt heißt Folding@home (direkt übersetzt „Proteinfaltung zu Hause“, den offiziellen Website-Link finden Sie, wenn Sie am Ende des Artikels auf „Originaltext lesen“ klicken) und Sie können auch daran teilnehmen.

Die Geschichte beginnt vor 20 Jahren

In den 1960er Jahren begannen Wissenschaftler, mithilfe von Radioteleskopen Radiosignale aus dem Weltraum abzuhören und nach Anzeichen außerirdischen intelligenten Lebens zu suchen. Die Analyse dieser Daten erfordert enorme Rechenleistung. Mit zunehmender Projektgröße werden die für die Analyse erforderlichen Rechenressourcen zum Engpass. Am Vorabend des neuen Jahrtausends, als sich das Internet in alle Winkel der Welt ausbreitete, kamen sie auf eine Idee: Computer aus allen Haushalten zusammenzubringen, um gemeinsam Computeraufgaben zu erledigen.

SETI-Gründer Frank Drake durchsucht die von Radioteleskopen gesammelten Daten | Lou Dematteis / Reuters

Am 17. Mai 1999 wurde SETI@home (Search for ExtraTerrestrial Intelligence at Home) offiziell gestartet. Das von Programmierern und Astronomen an der University of California in Berkeley geleitete Projekt war eines der ersten „freiwilligen verteilten Computerprojekte“. Wer an diesem Projekt teilnimmt, muss seinen Rechner nicht per Post an die Universität schicken, sondern lediglich den Client herunterladen. Wenn die Konfiguration abgeschlossen ist und der Computer in den Bildschirmschonermodus wechselt, lädt er automatisch Aufzeichnungen außerirdischer Funksignale vom Server herunter und sucht nach Grüßen von außerirdischem Leben.

Heutzutage sind Personalcomputer mehr als 100-mal schneller als damals, sodass diese Rechenaufgaben jederzeit ausgeführt werden können, ohne dass der Computer langsamer wird. Daher ist das aktuelle Projekt im Gegensatz zum ursprünglichen SETI@Home nicht darauf beschränkt, nur bei eingeschaltetem Bildschirmschoner ausgeführt zu werden, sondern die Wahl des Ausführungszeitpunkts liegt beim Benutzer. Benutzer können dieses Projekt entweder nur dann ausführen, wenn andere Anwendungen weniger aktiv sind, oder es so einstellen, dass es ausgeführt wird, während andere Dinge erledigt werden.

„Freiwilliges verteiltes Rechnen“ kann die Anforderungen des wissenschaftlichen Rechnens im großen Maßstab erfüllen. Es vereint die Rechenleistung von Personalcomputern über das Internet. Die riesige Rechenaufgabe wird serverseitig in viele kleine Datenpakete aufgeteilt und über das Internet an PCs verteilt; Die PCs führen die Berechnungen separat durch und senden sie dann zur Integration an den Server zurück. Sie können sich „verteiltes Rechnen“ als einen speziellen Supercomputer vorstellen – herkömmliche Supercomputer stehen in einem riesigen Computerraum und verfügen über eine große Anzahl von Prozessoren, die durch Kabel miteinander verbunden sind, um gemeinsam Rechenaufgaben zu erledigen; Während beim freiwilligen verteilten Rechnen Prozessoren auf der ganzen Welt über das Internet verbunden werden, um Berechnungen durchzuführen.

Das SETI@home-Projekt wurde am 31. März dieses Jahres auf unbestimmte Zeit ausgesetzt, aber die Verantwortlichen ermutigen weiterhin alle, sich an anderen verteilten Computerprojekten zu beteiligen, beispielsweise an der COVID-19-Forschung. | setiathome.berkeley.edu

In den zwanzig Jahren seit Beginn von SETI@home wurde diese Idee in verschiedenen Bereichen angewendet. Heute finden Sie auf der Berkeley Open Platform for Internet Computing (BOINC) Projekte aus verschiedenen Disziplinen, beispielsweise LHC@home zur Analyse von Daten des Large Hadron Collider, Einstein@home zur Suche nach Gravitationswellen von Pulsaren und PrimeGrid zur Suche nach großen Primzahlen. Darüber hinaus gibt es zahlreiche unabhängige Plattformen, wie etwa das Quake-Catcher Network zur Erdbebenerkennung und Folding@Home, das sich auf Proteinfaltung und -dynamik konzentriert und am Anfang des Artikels erwähnt wurde.

Die Wissenschaftler, die SETI@home entwickelten, hätten wahrscheinlich nicht damit gerechnet, dass diese Technologie 20 Jahre später zur Bekämpfung einer globalen Seuche eingesetzt werden würde. Während Sie diesen Artikel lesen, verteilt Folding@home eine große Menge an Coronavirus-Analyseaufgaben an Computer auf der ganzen Welt, um zur Bekämpfung der Epidemie beizutragen.

Analyse des dynamischen Bildes von Proteinen

Anderthalb Jahre nachdem SETI@home online ging, als die Computer von Millionen von Freiwilligen den Geräuschen des Sternenhimmels lauschten und nach außerirdischem Leben suchten, wurde Folding@home veröffentlicht. Wissenschaftler hoffen, die Leistungsfähigkeit des verteilten Rechnens nutzen zu können, um die Proteinfaltung zu simulieren, ihre Rolle bei Krankheiten zu verstehen und Informationen für die Suche nach neuen Medikamenten zu liefern. In den letzten zwei Jahrzehnten hat dieses Projekt bei einer Reihe von Aufgaben geholfen, darunter bei der Analyse abnormer Kinasen im Zusammenhang mit Brustkrebs, der Suche nach potenziellen Wirkstoffzielen für das Ebola-Virus und der Vorhersage abnormer Proteinstrukturen bei der Alzheimer-Krankheit.

Am Ende des 7100. Projekttages und des katastrophalen Februars 2020 gab der Teamleiter, der Biophysiker Greg Bowman, auf der offiziellen Website des Projekts bekannt, dass sie begonnen hätten, Folding@home für Arbeiten im Zusammenhang mit dem neuen Coronavirus-Protein zu verwenden, und dass sie anschließend die Priorität von Computeraufgaben im Zusammenhang mit dem neuen Coronavirus-Protein erhöht hätten.

Folding@home Team | foldingathome.org

Die Grundeinheit eines Proteins ist eine Aminosäure. Nachdem Aminosäuren jedoch zu langen Ketten angeordnet wurden, müssen sie sich zu einer dreidimensionalen Struktur falten, bevor sie funktionieren können. Der Faltungsprozess, die endgültige Struktur und die Dynamik des gefalteten Proteins wirken sich alle auf die Funktion des Proteins und damit auf die Lebensaktivitäten aus.

Wissenschaftler verfügen über zahlreiche Methoden, um die statische Struktur von Proteinen zu analysieren. Beispielsweise konnte durch Kryo-Elektronenmikroskopie die Struktur des Spike-Glykoproteins des neuen Coronavirus nachgewiesen werden. Allerdings können diese Methoden nur das Bild des Proteins zu einem bestimmten Zeitpunkt zeigen. Bowman verglich es mit einem Foto eines Footballspielers, der sich auf ein Spiel vorbereitet. Dadurch können wir die Aufstellung sehen, aber nicht das gesamte Spiel.

Die statische Struktur eines Proteins ist wie ein Foto eines Fußballspiels: Man sieht die Formation, aber nicht das eigentliche Spiel. | foldingathome.org

Wenn man diese statischen Bilder jedoch als Ausgangspunkt verwendet und Computersimulationen durchführt, kann man die Bewegung jedes Atoms im Protein vorhersagen und die Bereiche aufzeigen, die ihre Form verändern können. So können die Wissenschaftler das gesamte Spiel sehen und dann gezielte Angriffs- und Verteidigungsstrategien entwickeln. Nehmen wir als Beispiel das Ebola-Virus. Früher glaubte man, dass das VP35-Protein im Virus keine Angriffspunkte für Medikamente habe. Allerdings haben Computersimulationen kürzlich ergeben, dass die bei dynamischen Veränderungen entstehenden neuen Strukturen empfänglich für die Wirkung von Medikamenten sind[1], was eine neue Richtung für die Entwicklung von Behandlungsmethoden nahelegt.

Auch bei der Entwicklung von Medikamenten zur Bekämpfung des neuen Coronavirus können wir möglicherweise durch derartige Forschungen neue Ideen gewinnen. Das einzige Problem besteht darin, dass solche Simulationen enorme und teure Rechenressourcen erfordern. Um die Dynamik eines Proteins zu simulieren, müssen die Computer in den Büros der Biologen unter Umständen Hunderte oder sogar Zehntausende von Jahren ununterbrochen arbeiten.

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Glücklicherweise gibt es Milliarden von Personalcomputern auf der ganzen Welt, und normale Menschen, die sich begeistert dem verteilten Computernetzwerk anschließen, haben den Zeitaufwand für die Simulation der Proteindynamik akzeptabel gemacht.

Nachdem das Folding@home-Projektteam im März einen Aufruf in den sozialen Medien gestartet hatte, schlossen sich viele Menschen diesem verteilten Computernetzwerk an. Die Zahl der teilnehmenden Nutzer ist von rund 30.000 im Februar auf heute über eine Million gestiegen. „Möglicherweise ist Ihnen während der Installation eine gewisse Verzögerung aufgefallen“, sagte Bowman in den sozialen Medien. „Es laden so viele Leute den Client herunter, dass die Server nicht hinterherkommen. Wir arbeiten mit Hochdruck daran, die neuen Server online zu bringen.“

Auch viele Hersteller von PC-Hardware und Videospielen sowie Medien riefen die Nutzer zum Mitmachen auf | Twitter: @PC MASTER RACE

Obwohl die Rechenleistung jedes einzelnen Geräts vernachlässigbar ist, bedeutet die Summe der enormen Anzahl, dass die verfügbare ungenutzte Rechenleistung alle Erwartungen übersteigt. Der derzeit leistungsstärkste Supercomputer der Welt ist der Summit von IBM, der 200 Billiarden Berechnungen pro Sekunde (2x10^17 Mal pro Sekunde) durchführen kann. Am 21. März gab Bowman in den sozialen Medien bekannt, dass die Gesamtrechengeschwindigkeit von Folding@home doppelt so hoch sei wie die des Summit-Supercomputers. Nur fünf Tage später gaben sie überraschend bekannt, dass die Rechengeschwindigkeit 100 Billiarden Mal pro Sekunde (10^18 Mal pro Sekunde) überschritten habe, also um eine Größenordnung höher als bei den modernsten Supercomputern. Diese Rechenleistung wird kontinuierlich in die Forschung rund um das neue Coronavirus-Protein investiert. Simulationsprojekte wie der Spike-Protein-ACE2-Proteinkomplex, die neue Coronavirus-Protease und Antikörperproteine ​​werden kontinuierlich aufgeteilt und an Teilnehmer auf der ganzen Welt gesendet.

Man kann nie zu viele Computerressourcen haben. Neben häufigem Händewaschen, dem Tragen einer Maske und möglichst viel Zuhausebleiben kann jeder, der einen Computer mit Internetzugang besitzt, einen weiteren Beitrag zur Bekämpfung der Epidemie leisten. Gehen Sie auf die offizielle Website des Folding@home-Projekts, laden Sie den Client herunter, installieren Sie ihn und starten Sie das Programm – nun ist Ihr Computer bereit, Aufgaben zu empfangen und grundlegende Informationen für die Forschung und Entwicklung spezieller Medikamente bereitzustellen.

Die Bedienoberfläche von Folding@home. Auf der offiziellen Website ist zu finden, dass es sich bei der derzeit laufenden Aufgabe (PRCG: 13851) um eine Studie zu SARS-CoV und SARS-CoV-2 handelt. FAHControl

Darüber hinaus verlagert das biomedizinische Projekt Rosetta@home auf der Open Platform for Network Computing (BOINC) der Berkeley University seinen Schwerpunkt auf das Coronavirus-bezogene Computing und Sie können es sogar auf Ihrem Smartphone ausführen.

Die neue Coronavirus-Pandemie könnte die schlimmste Plage seit der Grippepandemie von 1918 sein. Dieses Mal verfügen die Menschen über eine brandneue Waffe im Kampf gegen die Krankheit. Einst wurde es verwendet, um den endlosen Sternenhimmel zu betrachten, und jetzt wird es uns helfen, Leben zu retten, die zum selben Sternenhimmel aufblicken.

Und was noch wichtiger ist: Auch normale Menschen, die nichts über Medizin und Biologie wissen, können ein wenig dazu beitragen, diese scharfe Klinge zu führen. Schließlich gibt es Milliarden von uns und wir glauben, dass diese Kraft ausreicht, um alle Hindernisse zu überwinden.

Quellen:

[1] Cruz MA, Frederick TE, Singh S, Vithani N, Zimmerman MI, Porter JR, Moeder KE, Amarasinghe GK, Bowman GR. 2020. Entdeckung einer kryptischen allosterischen Stelle im „nicht medikamentös behandelbaren“ VP35-Protein von Ebola durch Simulationen und Experimente. bioRxiv:2020.02.09.940510.

[2] https://setiathome.berkeley.edu/

[3]https://www.theatlantic.com/science/archive/2017/05/aliens-on-your-packard-bell/527445/

[4] https://foldingathome.org/2020/02/27/foldinghome-takes-up-the-fight-against-covid-19-2019-ncov/

[5] https://foldingathome.org/2020/03/15/coronavirus-what-were-doing-and-how-you-can-help-in-simple-terms/

[6] https://www.dezeen.com/2020/03/25/coronavirus-cure-folding-at-home-software/

[7] https://medicine.wustl.edu/news/crowdsourced-supercomputing-project-sets-sights-on-coronavirus/

[8] http://boinc.bakerlab.org/rosetta/rah/rah_about.php

Autor: Walnusssämlinge

Herausgeber: Mai Mai

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