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生活|向超算问药，如何用15小时计算10亿分子？( 二 )


什么概念？现在我们预测天气预报的尺度是5公里、10公里 ， 将来我们的预测可能到1公里 。
如果我们骑单车 ， 打开手机APP的时候 ， 可以看到沿途路线的天气是什么样子的 ， 这就给生活带来更大的便利 。
超级计算机还有一个应用 ， 那就是科幻片的制作 。
很多人都看过《流浪地球》科幻片 ， 其中很多场景是想象出来的 。
举个例子 ， 其中的火石运输车就是用超级计算机渲染出来的 。
先画一些线条 ， 画一些框把车的形状勾勒出来 ， 再画车身、画轮胎 ， 再贴上纹理、上色 ， 最后进行打光 ， 就画出来了一辆火石运输车 。
生活|向超算问药，如何用15小时计算10亿分子？
还有在电影里看到的下雪场景 ， 这些雪比真实的雪大很多 ， 也不是真实的状态 ， 是用计算机渲染出来的 ， 采用了实时渲染技术 ， 制作出了在荧幕上看到的《流浪地球》科幻片 。
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超级计算机筛选新药
超级计算机在药物发现方面有很多的应用 。
谈到基于结构的新药筛选 ， 我们首先要对靶标蛋白有一定研究 ， 我们要从化合物的分子库里面去选择一些小分子 。
这个化合物库实际上非常大 ， 可能有成百万、上千万甚至上亿的分子 。
我们把这些分子取出来后 ， 采用分子对接软件根据对接算法计算 。
对接成功后 ， 还要为对接质量进行打分 。
从这里面选择分高的化合物结构进行聚类分析 ， 再分析它的构象 ， 然后选取大概100个交给实验科学家做一些分析 ， 最后经历后续的漫长实验 ， 得到一些有活性的小分子 。
另外 ， 还可以用分子动力学的方法 ， 模拟蛋白的构象变化 。
分子动力学就是解牛顿第二定律的运动方程 ， 以数值的解法解运动方程 ， 可以模拟蛋白质的动力学过程 。
在模拟蛋白质变化的过程中 ， 有的通路形成开环 ， 有的通路形成闭环 ， 会得到不同的模拟结果 。
这是我们实际做的复杂分子模拟和新药筛选的例子 。
一个是膜蛋白动力学模拟 ， 体现的是膜蛋白在双层磷脂分子之间运动的情况 。
生活|向超算问药，如何用15小时计算10亿分子？
另一个是甲型H1N1流感防治药物的小分子对接过程 。 受体蛋白的表面是坑坑洼洼的 ， 像丘陵一样 。 小分子寻找各种低洼地带进行对接 ， 我们称这些地方为“口袋” 。
小分子运动到“口袋”中 ， 可以和受体蛋白进行结合 。
生活|向超算问药，如何用15小时计算10亿分子？
它的基本原理之一是“一把钥匙开一把锁”的“锁匙模型” 。
这个小分子作为一个配体分子 ， 进入到受体蛋白的“口袋”里面 ， 到形成最后的复合物 。
我们会用打分函数对这个复合物算出一个分数 ， 对复合物结合质量进行定量评估 。
就好像从里面选择英雄榜 ， 比如说取前一百名 ， 选出一百个分子 ， 最后把这些分子交给实验科学家去做进一步的实验 。
在计算机上到底怎么做分子对接这件事情？
我们首先准备一个普通文本文件 ， 包括原子种类、性质、位置 ， 包括连接关系的一些信息 。
然后 ， 我们用可视化软件把这个文件展示出来 ， 展示出蛋白质结构 ， 就是右边这张受体结构的图 。
生活|向超算问药，如何用15小时计算10亿分子？
科学家可以很直观地看出来口袋在哪里 ， 结合位点有可能在哪里 ， 当然还要经过一些理论的分析 。
再用一个比较流行的Autodock Vina对接软件 ， 把刚才的信息提交给计算机 ， 经过长时间的运算得到结果 ， 然后再做结构分析 。 这样就可以得到实际的对接结果 。
生活|向超算问药，如何用15小时计算10亿分子？
实际上 ， 高性能计算在药物研发的若干环节发挥着重要的作用 ， 包括利用基因测序提供帮助、潜在药物靶标的研究、苗头化合物的发现、先导化合物的确定和优化等 ， 甚至还能为后续的临床实验等工作提供一些支持 。
在这些过程中 ， 超级计算机都能够起到很大的帮助和作用 。
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计算的挑战
在计算方面 ， 这么大规模的计算有着非常重大的挑战 ， 下面介绍几个比较典型的例子 。
这么多的计算机同时工作 ， 好比说一个人工作好办 ， 自己做就可以了 ， 但是成百上千人同时工作怎么办？我们就要协调 ， 需要一个人总体协调任务 。
同时还要接收指令 ， 互相之间有一些通讯和互相交流的过程 ， 希望大家能够齐头并进 ， 只有这样我们的工作效率才会高 。
超级计算机的运算也是同样的道理 ， 所有计算节点的计算需要齐头并进 。


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