Forscher der University of Illinois in Urbana-Champaign haben eine GPU-beschleunigte Software entwickelt, um die Lebensprozesse einer Zelle mit 2 Milliarden Atomen zu simulieren. Stoffwechselvorgänge finden im Inneren der Zelle statt – sie lebt und entwickelt sich, als wäre sie lebendig. Die Technologie ermöglicht es uns, viele Fragen zum Verhalten der Zelle unter bestimmten Bedingungen einfach zu beantworten. Und das sind nicht die Daten der endgültigen Berechnungen - die Zelle "lebt", und Wissenschaftler beobachten.
Trotz der extremen Komplexität und Detailtreue des Modells konnte auf Vereinfachungen nicht verzichtet werden. Aber auch ein vereinfachtes Modell simuliert 7.000 Verarbeitungsprozesse genetischer Informationen während eines 20-minütigen Zelllebenszyklus. Es soll die bisher längste und komplexeste Zellsimulation sein. Die Anzahl der Modellgene wurde auf 500 Stück reduziert. Es bleibt nur die minimale Anzahl an Genen übrig, die für das Überleben der Zelle notwendig ist. Zum Vergleich: E. coli enthält Informationen in 5000 Genen. Die geretteten Gene ermöglichten es der Zelle, sich in jeder Hinsicht normal zu entwickeln und das Stadium der Replikation zu erreichen.
Physikalische und chemische Prozesse im digitalen Modell wurden auf der Ebene der Wechselwirkung von Atomen nachgebildet. Man kann sich vorstellen, dass bei ausreichenden Rechenressourcen ein beliebig komplexes Leben auf diese Weise programmiert werden kann, und sie wird nicht einmal ahnen, dass es sich um ein echtes immaterielles Leben handelt. Eines Tages, aber sehr, sehr bald, wird es möglich sein, jedes Leben zu digitalisieren. Das hat sich in der kleinen Form bereits bewährt.
Das Zellmodell produziert Proteine, seine Bestandteile produzieren die Energie, die ihm das Leben gibt, transkribiert Gene, versteht die Anweisungen für seine Lebenstätigkeit und leistet noch viel mehr, was eine echte lebende Zelle sein sollte.
Die Untersuchung des Modells wird Wissenschaftlern dabei helfen, vorherzusagen, wie sich eine Änderung der Bedingungen oder Genome echter Zellen auf deren Funktion auswirken wird. Dies ist für die Suche nach neuen Medikamenten und zur Untersuchung von Krankheitsverläufen notwendig. Die Optimierung des Lattice Microbes-Pakets für die Ausführung auf der NVIDIA-GPU ermöglichte die Beobachtung des digitalen Modells der Zelle in Echtzeit. Darüber hinaus hat die Verwendung der neuen RTX A5000-Beschleuniger die Leistung des Pakets um 40 % gegenüber früheren NVIDIA-GPUs gesteigert.
2022-01-22 16:01:37
Autor: Vitalii Babkin