Szósty superkomputer świata obliczył symulację ludzkiego genu

O ludzkim DNA wiemy już sporo, ale daleko nam do poznania mechanizmów jego działania. Kolejny krok w tym kierunku zrobili naukowcy z Los Alamos. Przygotowali symulację komputerową jednego genu ludzkiego DNA, złożoną z miliarda atomów.

Symulacja jest nie tylko imponująco wielka, ale też hipnotyzująco piękna. Animacje z jej użyciem możecie zobaczyć na poniższym filmie z kanału Narodowego Laboratorium Naukowego w Los Alamos.

Symulacja została przygotowana z pomocą jednego z najpotężniejszych superkomputerów, które są obecnie w użyciu. Trinity w Los Alamos jest w użyciu od 2015 roku i według planów będzie używany do 2020 r. W 2015 i potem w 2018 roku był notowany na 6. miejscu na liście najpotężniejszych superkomputerów świata.

Trinity został zbudowany z użyciem modułów Cray XC40 - tych samych, która działają w sercu Okeanosa w warszawskim ICM (znanym ze świetnej pogodynki). To jednostka przetwarzania równoległego na wielką skalę, złożona z 64-bitowych procesorów Xeon E5. W jednej szafie rackowej mogą znajdować się nawet 384 procesory, a superkomputer może składać się z kilku szaf. Moc obliczeniowa jest ogromna. Trinity zajmuje powierzchnię 428 metrów kwadratowych i pobiera 8,6 MW energii.

Równie imponująca jest konstrukcja pamięci superkomputera Trinity. Struktura składa się z pięciu elementów - pamięci o pojemności 2,07 pebibajta (DDR4), bufora wielkości 3,7 petabajta, złożonego z dysków SSD, równoległej pamięci z klastrowym systemem plików Lustre, zdolnej pomieścić 78 PB danych, dysków z systemem MarFS do zapisywania bieżących danych i permanentnego archiwum na taśmach HPSS z dyskową pamięcią podręczną, zdolnego pomieścić 100 PB danych. Warto dodać, że każdy moduł z Xeonem także ma swoją pamięć DRAM.

Superkomputer pracował wcześniej dla National Nuclear Security Administration (NNSA) - federalnej agencji, podlegającej pod Departament Energii, odpowiedzialnej za bezpieczeństwo i efektywność gromadzenia broni jądrowej i zachowania globalnego bezpieczeństwa. Jak widać, w biochemii Trinity radzi sobie równie dobrze.

To oczywiście spore uproszczenie, ale naukowcy robią to wszystko, by lepiej zrozumieć działanie naszych genów. Wiemy już, że niektóre mogą być aktywowane lub wyłączane w przypadku radykalnych zmian w naszym otoczeniu i poważnych chorób. Zrozumienie tego mechanizmu na poziomie molekularnym pomoże w opracowaniu precyzyjnie działających leków, w tym leków na nowotwory. Musimy tylko dowiedzieć się, jak działa ten "pstryczek".

Symulacja wykonana na Trinity jest przełomowa pod wieloma względami. Pozwijane w spirale łańcuchy DNA o zaskakującej długości sterują włączaniem i wyłączaniem genów przez rozwijanie splotów, spiętych histonami (zasadowymi białkami). Naukowcy nie wiedzą jednak kiedy i dlaczego zachodzi to zjawisko. Dzięki pracy naukowców z Los Alamos epigenetycy mogą zagłębić się w "sieć szpulek" genu na poziomie atomów. Obserwacja ich zachowania na ogromnej symulacji pomoże znaleźć więcej wskazówek do rozwiązania tej zagadki.

Potężny komputer Trinity pozwolił przygotować model całego genu, co jest ogromnym krokiem w przód dla nauki. Co będzie dalej? Zapewne naukowcy spróbują modelować większe fragmenty, może nawet cały genom człowieka. By było to możliwe, potrzebna jednak komputerów tysiąckrotnie potężniejszych od Trinity. Trinity pracuje w petaskali (43 902 teraFLOPS-ów na sekundę), to zadanie będzie wymagało komputerów eksaskalowych - zdolnych wykonywać trylion operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę (1 exaFLOPS).

Człowiek ma między 19 i 20 tys. genów, potrzeba więc nawet 20 tys. takich symulacji jak powyżej, by pokazać całość.