【中國科學報】超高通量藥物分子虛擬篩選平台問世

  本报讯(记者成舸 通讯员于东阳、唐又旺)日前,國防科技大學計算機學院聯合中科院上海藥物研究所、廣州超算中心,成功研發出一種超高通量的藥物分子虛擬篩選平台,可以利用“天河二號”超級計算機,在一天之內完成對4200多萬個化合物的計算評價,相當于把包括現有藥物、天然産物和人工合成有機化合物在內的地球上所有可用于藥物研發的化合物都計算篩選一遍。這爲人類應對暴發性惡性傳染病的應急藥物快速研發提供了強大的計算模擬保障。

  大規模暴發性急性傳染病是人類大敵。由于常規藥物研發平均須耗時十年以上,導致一些新出現病種,如SARS、MERS、埃博拉等,在暴發早期無藥可用。如果能針對藥物靶標進行超大規模的計算機虛擬藥物篩選,不僅有可能從現有藥物中迅速找出用于治療新型急性傳染病的藥物,還能爲新一代藥物研究提供依據。

  迄今爲止人類已知的化合物約有1.02億個,其中適合于藥物虛擬篩選的有機化合物有3500多萬。考慮到不斷湧現的新化合物,國防科技大學和中科院上海藥物研究所在任務設計時多加了20%的冗余,希望新開發的藥物虛擬篩選平台每天至少能完成4200萬個化合物的計算評價。要完成如此巨大的計算模擬工作,只有依靠“天河二號”超級計算機和新一代的超高通量藥物虛擬篩選平台。

  目前地球上總共有3500萬藥物化合物分子,單個對接任務的I/O量爲20M,總任務包括3500萬個文件,總量達到700TB,這就對超級計算機的I/O、通信、計算等能力提出了挑戰。針對“天河二號”的大規模異構體系結構,充分利用和發揮CPU與MIC的超強計算能力和高速互聯技術,成爲加快我國藥物發現與設計的關鍵所在。

  国防科技大学计算机学院研究员杨灿群、卢宇彤,副研究员彭绍亮,中科院上海药物所所長蔣華良,研究员朱維良等经一年多联合攻关,成功研发出一种面向大规模异构超级计算机的虚拟药物筛选软件平台——mD3DOCKxb。该平台包括一个全新的高效通信引擎,并采用多进程结合多线程的CPU/MIC大规模协同并行加速技术,对核心遗传算法进行深度加速,全面提高了对生物医药大数据的计算处理速度。

  截至記者發稿,研究人員已在“天河二號”上實現了19.2萬個CPU核和136.8萬個MIC核的協同並行,整體並行效率達84.9%。測試結果顯示,該平台可在一天內完成至少4200萬化合物對埃博拉病毒靶標蛋白的虛擬篩選,表明我國已經具備了應對突發性惡性傳染病的超高通量藥物虛擬篩選的能力。

《中国科学报》 (2015-08-20 第1版 要闻)