HPC5 per EXSCALATE4CoV: il supercomputer contro il Coronavirus

A metà novembre 2020 HPC5 ha reso possibile il più complesso esperimento di supercalcolo molecolare mai realizzato per identificare nuove terapie contro il virus. Tutto si è svolto nei modi e nei tempi previsti, producendo il più grande studio al mondo sull'interazione del virus con possibili farmaci. I dati sono in corso di elaborazione e i risultati saranno messi liberamente a disposizione della comunità scientifica.

L’attività sperimentale, denominata Fast Track phase, è partita la sera di venerdì 19 novembre e si è conclusa nella mattinata di lunedì 21 novembre, per un totale di 60 ore di elaborazione. L’obiettivo era testare le interazioni di 71,6 miliardi di molecole su 15 "siti attivi" del virus. In totale, quindi, sono stati elaborati 1074 miliardi di interazioni pari a 5 milioni di simulazioni al secondo.  L’esperimento ha generato 65 TeraByte di risultati e cioè 4,33 TB per ogni sito di SARS-CoV2 analizzato.

Per fare queste operazioni, hanno lavorato ininterrottamente 1.500 nodi di HPC5. In totale, il supercomputer ha schierato 6.000 schede grafiche GPU ad alte prestazioni, particolarmente idonee per la grande massa di calcoli altamente paralleli necessari per queste simulazioni. Il movimento del virus e le sue interazioni con ciascuna molecola sono state riprodotte al computer per individuare quelle molecole che interagiscono meglio col virus e riescono a legarvisi neutralizzandolo e impedendogli di replicarsi distruggendo le cellule ospiti.

Ciò che è stato simulato nel corso della sperimentazione è il “docking molecolare”, ovvero tutti i possibili legami intermolecolari fra le proteine del virus e altre molecole già conosciute tra i farmaci potenzialmente utilizzabili, prodotti naturali, nutraceutici e altre sostanze in commercio provenienti da database pubblici e resi disponibili da aziende farmaceutiche. Elaborando i risultati dello screening si possono individuare molecole candidate, ovvero quelle capaci di attaccare il virus e agganciarlo impedendogli di scatenare la propria carica virale. L’obiettivo è avere farmaci più efficaci, già clinicamente testati e quindi immediatamente disponibili.

Insieme ad HPC5 anche il supercomputer Marconi 100, targato Cineca, per una capacità di calcolo complessiva di 81,1 Petaflop/s e cioè 81 milioni di miliardi di operazioni in virgola mobile al secondo considerando entrambi i supercomputer.

Nella prima fase della sperimentazione, dall’inizio del progetto fino a giugno 2020, HPC5 e altri tre supercomputer impegnati nella ricerca hanno condotto test di docking su oltre 400.000 molecole, tra farmaci artificiali e prodotti naturali, resi disponibili da Dompé. Questa fase del progetto si è conclusa con l’individuazione di una molecola, il Raloxifene, un farmaco usato per la cura dell’osteoporosi, ha dimostrato una potenziale efficacia nel bloccare la replicazione del virus all’interno delle cellule.

HPC5, il nostro supercomputer, è l’infrastruttura industriale di supercalcolo più performante al mondo, capace di raggiungere una potenza di elaborazione di 51,7 Petaflop/s di picco. Combinandosi col predecessore HPC4, tutt’ora operativo, il sistema raggiunge il record di 70 Petaflop/s e cioè 70 milioni di miliardi di operazioni matematiche svolte in un secondo. Grazie ai suoi 3400 nodi di calcolo e alle oltre 10.000 schede grafiche, HPC5 può elaborare in parallelo enormi quantità di dati mantenendo molto ridotto il consumo di elettricità. La macchina è stata pensata e realizzata per l’industria energetica, per accelerare lo sviluppo di idee innovative riducendo enormemente i tempi di calcolo. Uno degli ambiti in cui viene utilizzata è la modellistica molecolare e cioè lo studio delle molecole attraverso l’uso di modelli matematici in grado di simulare le loro caratteristiche. Scienziati ibridi con competenze in chimica, fisica e matematica, i modellisti molecolari, utilizzano complessi algoritmi sviluppati da appositi programmi per simulare le molecole al computer, senza bisogno di produrle e studiarle fisicamente in laboratorio. In questo modo si possono studiare le caratteristiche e le proprietà di molecole note o persino prevedere come si comporteranno altre ancora sconosciute. Applicati all’energia, supercalcolo e modellistica molecolare possono individuare sostanze foto-attive più efficienti per il Fotovoltaico Organico (OPV) o per i Concentratori Solari Luminescenti (LSC). Applicati alla medicina e alla farmacologia, possono scoprire nuove cure.

La diffusione del virus SARS-CoV-2, responsabile dell’infezione Covid-19, sta mettendo a dura prova l’intero pianeta. Per questo è importante unire le forze e contribuire tutti insieme alla ricerca di soluzioni per vincere questa sfida globale. L’integrazione delle capacità di HPC5 con le competenze dei modellisti molecolari può offrire un contributo concreto nella lotta all’emergenza sanitaria. In questo contesto abbiamo stretto una collaborazione all’interno del progetto europeo EXSCALATE4CoV, acronimo di EXaSCale smArt pLatform Against paThogEns, per individuare i farmaci più sicuri e promettenti nella lotta al Coronavirus. Il progetto è guidato dall’azienda biofarmaceutica italiana Dompé che, per questo scopo, aggrega diciotto istituzioni e centri di ricerca in sette paesi europei, fra i quali il Cineca di Bologna. Oltre a Eni, inoltre, partecipano altre aziende leader nei rispettivi settori industriali e cioè SAS e LEONARDO, coinvolte nella piattaforma di intelligenza artificiale e nel cloud e cybersecurity.

Il primo nucleo della piattaforma per la drug discovery era stato predisposto da Dompé Farmaceutici già nel 2004 e, successivamente, è stato costantemente migliorato e integrato nel processo di ricerca farmaceutica del gruppo fino alla versione attuale del 2020, da cui è nata la piattaforma EXSCALATE sviluppata insieme a Cineca e Politecnico di Milano. Su queste basi si è costituito il consorzio europeo EXSCALATE4CoV che, con il supporto della Commissione Europea, ha portato alla sperimentazione clinica di una molecola contro il Covid in pochi mesi grazie alla potenza di calcolo e alla progettazione al computer. EXSCALATE, inoltre, è già predisposta per applicare gli sviluppi dell’Intelligenza Artificiale e delle tecnologie informatiche, come il calcolo quantistico e i microprocessori neurali.

Nell'ottobre 2021, per la sua capacità di rispondere all’esigenza di accelerare lo sviluppo di nuovi soluzioni per i pazienti accedendo a competenze e tecnologie provenienti da altri settori industriali, la piattaforma EXSCALATE di Dompé Farmaceutici ha ricevuto il Premio all'innovazione di SMAU Milano 2021.

Nell’ambito del progetto europeo EXSCALATE4CoV, in collaborazione con Cineca, mettiamo a disposizione la potenza di calcolo di HPC5 e la nostra esperienza nell’ambito della modellistica molecolare. Il primo obiettivo comune è stato condurre simulazioni di dinamica molecolare delle proteine presenti sulla superficie di SARS-CoV-2, le quali giocano un ruolo chiave nel meccanismo di infezione del virus. Questo lavoro è risultato fondamentale per procedere alla fase successiva dell’attività guidata da Dompè e cioè lo screening di 10.000 principi attivi dei composti farmaceutici oggi noti, in modo da individuare quelli più efficaci nel bloccare il virus. A questa è seguita la Fast Track phase realizzata a metà novembre 2020, durante la quale il supercomputer è stato impiegato nella simulazione dinamica molecolare di proteine virali ritenute rilevanti nel meccanismo di infezione da Covid-19. Lo screening era finalizzato alla selezione delle molecole con maggiore efficacia anti-virale. Con sofisticati calcoli di dinamica molecolare sono state riprodotte al computer le interazioni fra le proteine del virus e 71,6 miliardi di molecole, per individuare strutture capaci di attaccare il virus con il fine di individuare quelli con attività farmacologica più efficace.

Se questa ricerca andrà a buon fine avremo a disposizione un farmaco già clinicamente testato e quindi immediatamente disponibile. La modellazione molecolare impiega calcoli molto complessi che richiedono una potenza di elaborazione enorme. Senza il supporto di un potente supercomputer, servirebbero anni per portare a termine i calcoli necessari. Utilizzando HPC5, invece, siamo riusciti a studiare le circa trenta proteine presenti in SARS-CoV-2 in pochi mesi. Se per simulare il comportamento di una singola proteina utilizzando HPC4 ci sarebbero voluti due mesi, impiegando HPC5 bastano circa dieci giorni. Fortunatamente la corsa al supercalcolo non si ferma mai, basti pensare che HPC4 era il computer più potente al mondo fino all’anno scorso e che HPC5 ha quadruplicato la sua potenza. Il nostro supercalcolatore ha anche il vantaggio di essere l’hardware ideale per supportare Gromacs, il programma open source utilizzato per le simulazioni di dinamica molecolare. Questo software, infatti, procede suddividendo le modellazioni in più calcoli paralleli: la configurazione ideale per sfruttare al meglio le 7280 GPU di HPC5.

HPC5 è nato dalle energie di oggi per accelerare lo sviluppo delle energie di domani. La sua potenza di calcolo si è già rivelata fondamentale per individuare e studiare in modo più veloce e accurato nuovi giacimenti di olio e gas, ma anche per sviluppare tecnologie innovative per la generazione da fonti rinnovabili come ISWEC, che produce elettricità dal moto ondoso. Le energie rinnovabili sono proprio l’ambito in cui il supercalcolatore ha già rivelato la sua utilità nella modellazione molecolare, poiché la macchina ha già aiutato i modellisti a individuare i composti foto attivi più adatti ai Concentratori Solari Luminescenti (LSC) e al Fotovoltaico Organico (OPV). Utilizzare HPC5 anche per la ricerca farmacologica ci permetterà di confrontarci con sfide ancora nuove e di sviluppare, quindi, competenze sempre maggiori nella modellistica molecolare. Grazie alla nostra partecipazione al progetto EXSCALATE4CoV, infatti, stiamo raccogliendo un grande bagaglio di esperienza e una preziosa rete di relazioni in un ambito sempre più strategico anche per l’industria dell’energia.

Per utilizzare al meglio la straordinaria potenza di calcolo del supercomputer HPC5 servono competenze altrettanto eccezionali. I chimici teorici esperti di dinamica molecolare di Eni si occupano di numerosi progetti: dalla modellistica di molecole fotoattive per le tecnologie fotovoltaiche (LSC e OPV), dall'attività dei detergenti e dei lubrificanti al recupero migliorato del petrolio per mezzo di polimeri organici e emulsioni acquose. È grazie al lavoro sinergico con informatici, chimici organici e caratterizzatori Eni, se un tale bagaglio di esperienza ha potuto trovare applicazione anche nello schema di simulazione del progetto EXSCALATE4CoV. In azienda, la condivisione di competenze è alla base di numerosi successi. Eni è un ambiente dinamico che mette al centro il proprio capitale umano e promuove sia la formazione accademica, sia la circolazione del know-how aziendale.

L’impegno di Eni e delle sue persone nella lotta contro il Coronavirus conferma l’integrazione dei valori espressi dagli SDGs dell’Agenda 2030 delle Nazioni Unite nella mission dell’azienda e, di conseguenza, nel modello di business Eni. Nello specifico, l’adesione al progetto EXSCALATE4CoV riflette l’impegno dell’azienda nel perseguire l’obiettivo 3: assicurare la salute e il benessere per tutti e per tutte le età.

La modellistica molecolare applicata alla ricerca farmacologica offre due grandi vantaggi: la velocità con cui si può individuare un nuovo farmaco e la possibilità di ridurre i test sui pazienti. Poter studiare e persino prevedere le proprietà farmacologiche e gli effetti collaterali di un principio attivo, ma riducendo i tempi e le difficoltà dei trial clinici è importante in condizioni normali, ma diventa vitale durante un’emergenza come quella che stiamo vivendo. In questo senso, mai come oggi i computer possono avere davvero un volto umano.