Ученые, участвующие в программе «Помоги победить рак» (Help Conquer Cancer), изобрели способ автоматизировать трудоемкий процесс исследования белковых структур в злокачественных опухолях, что позволит ускорить разработку методик лечения раковых заболеваний. Возможность автоматизировать кропотливый и длительный процесс определения готовности образцов белковых структур к рентгенологическому исследованию появилась благодаря ресурсам World Community Grid.

World Community Grid – сеть распределенных вычислений, состоящая из персональных компьютеров добровольцев, которые безвозмездно предоставляют незадействованные вычислительные ресурсы своих машин для гуманитарных проектов. Она обеспечивает ученых бесплатной вычислительной мощностью для проведения исследований в области медицины, производства продуктов питания, энергетики и экологии. World Community Grid развивается в сотрудничестве со Всемирной организацией здравоохранения и спонсируется корпорацией IBM, которая бесплатно предоставляет аппаратные средства, программное обеспечение, хостинг, обслуживание и поддержку, технические услуги, а также экспертные знания и опыт для формирования инфраструктуры сети.

Эта крупнейшая в мире общедоступная гуманитарная сеть объединяет неиспользуемое машинное время 1,5 млн ПК, предоставляемое сотнями тысяч добровольцев из более чем 80 стран. По вычислительной мощности она эквивалентна высокопроизводительному суперкомпьютеру и обеспечивает производительность до 180 TFLOPS (трлн операций с плавающей запятой в секунду). Приложение для проекта Help Conquer Cancer за секунду выполняет 80 трлн операций с плавающей запятой.

Распознать кристаллизацию

Ученые создали систему, которая точно определяет, когда образцы белка затвердевают (кристаллизуются) и таким образом становятся пригодными для дальнейшего рентгенологического исследования. Это необходимо для изучения роли структуры, формы и взаимодействия некоторых белков в возникновении и развитии онкологических заболеваний.

Элементарные частицы рентгеновского излучения «бомбардируют» кристаллизованный образец и преломляют свет в разных направлениях, формируя трехмерный контур и облегчая исследование образца. Однако процесс кристаллизации очень длителен и крайне трудоемок: один образец белка может потребовать несколько тысяч попыток для ускорения затвердевания путем ввода роботизированным устройством специальных химических соединений. До настоящего времени эта процедура предусматривала тщательное наблюдение человека для проверки и подтверждения, что кристаллы действительно сформировались.

Систему обучили успешно распознавать 80% «кристаллонесущих» признаков в изображениях и 98% чистых капель белкового раствора, появляющихся перед кристаллизацией. Это позволяет проанализировать в шесть раз больше изображений в расчете на один изучаемый образец белка по сравнению с анализом, осуществляемым человеком. На ранних этапах автоматизации процесса проверки кристаллизации компьютеры точно определяли соответствующие признаки только приблизительно в 70% случаев и могли исследовать лишь около 850 параметров – в сравнении с 15 тыс. параметров, которые они способны анализировать сегодня.

Рентгеновская кристаллография является ключевым методом в изучении различных биологических процессов, поэтому автоматизация процедуры определения кристаллов может ускорить исследования проектов в области генетики и биологических наук.
"Люди, которые добровольно предоставляют вычислительные ресурсы своих персональных компьютеров, могут по праву гордиться тем, что они сделали это достижение возможным", — отметил доктор Игор Юришича, старший научный сотрудник Института рака в Онтарио.

На борьбу с раком

Проект «Помоги победить рак» был запущен в сети распределенных вычислений 1 ноября 2007 года при содействии Института рака в Онтарио, больницы принцессы Маргарет, Университетской сети здоровья в Торонто и научно-исследовательского медицинского института Хауптмана-Вудворда в Буффало (шт. Нью-Йорк, США).

С тех пор добровольные члены сообщества World Community Grid предоставили свыше 50 тыс. лет машинного времени, в среднем — 54 года в день. Эти вычислительные мощности помогают анализировать 100 млн изображений 12,5 тыс. уникальных белковых структур, которые могут быть связаны с онкологическими заболеваниями. Эти изображения, хранящиеся в архиве института Хауптмана-Вудворда, были получены в ходе более чем 19,2 млн экспериментов. Архив, содержащий наиболее полную биохимическую базу данных большого числа белков, поможет исследователям раскрыть тайну развития многих онкологических заболеваний, в частности рака молочной железы, рака предстательной железы и детской лейкемии.

Для человека задача просмотра и анализа всех 9,2 тыс изображений конкретного белка практически невыполнима. Даже при обработке одного изображения в секунду, чтобы изучить все белки, исследуемые в рамках проекта, ему потребовалось бы 1333 дня. Кроме того, результаты анализа, выполненного вручную даже одним человеком, могут быть несогласованными и варьироваться в широких пределах.

Против вирусов, и не только...

В сети World Community Grid реализуются и другие проекты, результаты которых служат благой цели. Например, в ходе проекта Discovering Dengue Drugs Together, направленного на поиск эффективного лекарства от тропической лихорадки, были найдены противовирусные составы, потенциально способные помочь в борьбе не только с тропической лихорадкой, но и с другими сопутствующими ей заболеваниями.
В рамках проекта Fight Childhood Cancer ученые нашли лекарства, которые могут блокировать три белковые структуры, связанные с развитием нейробластомы, делая более излечимой одну из наиболее часто встречающихся у детей злокачественных опухолей.

Ученые из Исследовательского института Скриппса (Scripps Research Institute), работающие над проектом FightAIDS@Home, недавно обнаружили два состава, которые могут привести к разработке новых методов лечения СПИДа, вызванного лекарственно устойчивыми вирусными штаммами ВИЧ.

Также успешно реализуется научно-исследовательский проект, призванный помочь в лечении мускульной дистрофии и других нервно-мышечных заболеваний.

Помочь способен каждый

Безвозмездно предоставить ресурсы своих компьютеров для помощи в осуществлении этих проектов могут все желающие. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте www.worldcommunitygrid.org и установить на ПК, работающий под управлением операционной системы Linux, Microsoft Windows или Mac OS, небольшую программную утилиту — бесплатную и безопасную. В периоды бездействия пользовательского компьютера или между циклами выполнения им легких и нетребовательных к ресурсам задач ПК запрашивает вычислительное задание с сервера World Community Grid, получает и выполняет его, участвуя в исследовании белков, которые связаны с возникновением и развитием онкологических заболеваний.