Chỉ cần có máy tính kết nối internet, bạn cũng có thể góp phần chống lại dịch bệnh.
Hình ảnh động sau đây mô phỏng sự thay đổi hình dạng của glycoprotein gai của loại virus corona mới trong thế giới thực. Protein này rất quan trọng và là chìa khóa để virus xâm nhập vào tế bào. Thành tựu này sẽ cung cấp hướng dẫn cho việc phát triển thuốc kháng vi-rút.
Mô phỏng động của glycoprotein gai SARS-CoV-2. Virus corona mới xâm nhập vào tế bào người bằng cách liên kết với protein thụ thể ACE2 trên tế bào người thông qua glycoprotein gai | Twitter: @Greg Bowman
Bạn có thể nghĩ rằng điều này được tạo ra bởi các nhà khoa học sử dụng các thiết bị khoa học lớn và đắt tiền; nhưng thực tế, kết quả này đến từ máy tính cá nhân của hàng trăm ngàn người dân bình thường. Dự án này có tên là Folding@home (dịch trực tiếp là "gấp protein tại nhà", bạn có thể tìm thấy liên kết trang web chính thức bằng cách nhấp vào "Đọc văn bản gốc" ở cuối bài viết) và bạn cũng có thể tham gia vào dự án.
Câu chuyện bắt đầu từ 20 năm trước
Vào những năm 1960, các nhà khoa học bắt đầu thử sử dụng kính viễn vọng vô tuyến để lắng nghe các tín hiệu vô tuyến từ không gian, tìm kiếm dấu hiệu của sự sống thông minh ngoài Trái Đất. Việc phân tích dữ liệu này đòi hỏi sức mạnh tính toán rất lớn. Khi quy mô của dự án mở rộng, tài nguyên điện toán cần thiết để phân tích sẽ trở thành trở ngại. Vì vậy, vào đêm trước thiên niên kỷ, khi Internet đang lan rộng đến mọi ngóc ngách trên thế giới, họ đã nghĩ ra một ý tưởng - tập hợp máy tính từ mọi hộ gia đình để cùng nhau thực hiện các tác vụ tính toán.
Người sáng lập SETI Frank Drake xem xét dữ liệu được thu thập bởi kính viễn vọng vô tuyến | Lou Dematteis / Reuters
Vào ngày 17 tháng 5 năm 1999, SETI@home (Tìm kiếm trí thông minh ngoài Trái đất tại quê nhà) chính thức được ra mắt. Dự án do các lập trình viên và nhà thiên văn học tại Đại học California, Berkeley điều hành là một trong những "dự án điện toán phân tán tự nguyện" sớm nhất. Những người tham gia dự án này không cần phải gửi máy tính của họ đến trường đại học, họ chỉ cần tải xuống ứng dụng. Sau khi cấu hình xong, khi máy tính vào chế độ bảo vệ màn hình, nó sẽ tự động tải xuống các bản ghi tín hiệu không dây ngoài trái đất từ máy chủ và tìm kiếm lời chào từ sự sống ngoài trái đất.
Ngày nay, máy tính cá nhân nhanh hơn 100 lần so với trước đây, do đó, các tác vụ tính toán này có thể được thực hiện bất kỳ lúc nào mà không làm chậm máy tính. Do đó, không giống như SETI@Home ban đầu, dự án hiện tại không chỉ giới hạn ở việc chạy khi màn hình bảo vệ được bật mà còn cho phép người dùng lựa chọn thời điểm chạy. Người dùng có thể chọn chạy dự án này chỉ khi các ứng dụng khác ít hoạt động hơn hoặc cài đặt để chạy trong khi thực hiện những việc khác.
"Điện toán phân tán tự nguyện" có thể đáp ứng nhu cầu điện toán khoa học quy mô lớn. Nó kết hợp sức mạnh tính toán của máy tính cá nhân thông qua Internet. Nhiệm vụ tính toán khổng lồ được chia thành nhiều gói dữ liệu nhỏ trên phía máy chủ và phân phối tới các máy tính cá nhân thông qua Internet; máy tính cá nhân thực hiện các phép tính riêng biệt và sau đó gửi chúng trở lại máy chủ để tích hợp. Bạn có thể nghĩ về "điện toán phân tán" như một siêu máy tính đặc biệt - siêu máy tính truyền thống nằm trong một phòng máy tính lớn, với số lượng lớn bộ xử lý được kết nối bằng cáp để cùng nhau hoàn thành các tác vụ tính toán; trong khi điện toán phân tán tự nguyện kết nối các bộ xử lý trên toàn thế giới thông qua Internet để thực hiện các phép tính.
Dự án SETI@home đã bị đình chỉ vô thời hạn vào ngày 31 tháng 3 năm nay, nhưng các quan chức vẫn khuyến khích mọi người tham gia các dự án điện toán phân tán khác, chẳng hạn như nghiên cứu COVID-19 | setiathome.berkeley.edu
Trong hai mươi năm kể từ khi SETI@home ra đời, ý tưởng này đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ngày nay, trên Nền tảng mở Berkeley cho điện toán Internet (BOINC), bạn có thể tìm thấy các dự án từ nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như LHC@home để phân tích dữ liệu từ Máy va chạm Hadron lớn, Einstein@home để tìm kiếm sóng hấp dẫn từ sao xung và PrimeGrid để tìm kiếm số nguyên tố lớn. Ngoài ra còn có nhiều nền tảng độc lập khác, chẳng hạn như Mạng Quake-Catcher để phát hiện động đất và Folding@Home, tập trung vào quá trình gấp và động lực học của protein, được đề cập ở đầu bài viết.
Các nhà khoa học phát triển SETI@home có lẽ không ngờ rằng 20 năm sau, công nghệ này sẽ được sử dụng để chống lại một bệnh dịch toàn cầu. Khi bạn đọc bài viết này, Folding@home đang phân phối một lượng lớn nhiệm vụ phân tích vi-rút corona tới các máy tính trên toàn thế giới để giúp chống lại dịch bệnh.
Phân tích hình ảnh động của protein
Một năm rưỡi sau khi SETI@home được đưa vào hoạt động, khi hàng triệu máy tính của các tình nguyện viên đang lắng nghe âm thanh của bầu trời đầy sao và tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất, Folding@home đã được phát hành. Các nhà khoa học hy vọng có thể sử dụng sức mạnh của điện toán phân tán để mô phỏng quá trình gấp protein, hiểu được vai trò của chúng trong bệnh tật và cung cấp thông tin cho việc tìm kiếm các loại thuốc mới. Trong hai thập kỷ qua, dự án này đã hỗ trợ thực hiện một loạt nhiệm vụ, bao gồm phân tích các kinase bất thường liên quan đến ung thư vú, tìm ra mục tiêu thuốc tiềm năng cho vi-rút Ebola và dự đoán cấu trúc protein bất thường trong bệnh Alzheimer.
Vào cuối ngày thứ 7100 của dự án và tháng 2 thảm họa năm 2020, trưởng nhóm, nhà vật lý sinh học Greg Bowman, đã thông báo trên trang web chính thức của dự án rằng họ đã bắt đầu sử dụng Folding@home cho công việc liên quan đến protein của virus corona mới và sau đó tăng mức độ ưu tiên cho các tác vụ tính toán liên quan đến protein của virus corona mới.
Đội Folding@home | foldingathome.org
Đơn vị cơ bản của protein là axit amin, nhưng sau khi axit amin được sắp xếp thành chuỗi dài, chúng cần phải gấp lại thành cấu trúc ba chiều trước khi có thể hoạt động. Quá trình gấp, cấu trúc cuối cùng và động lực của protein gấp đều ảnh hưởng đến chức năng của protein và các hoạt động sống.
Các nhà khoa học có nhiều phương pháp để phân tích cấu trúc tĩnh của protein. Ví dụ, kính hiển vi điện tử lạnh đã chứng minh cấu trúc của glycoprotein gai của loại virus corona mới. Tuy nhiên, các phương pháp này chỉ có thể hiển thị hình ảnh của protein tại một thời điểm cụ thể. Bowman so sánh nó với bức ảnh một cầu thủ bóng đá đang chuẩn bị thi đấu. Nó cho phép chúng ta thấy được đội hình, nhưng không phải toàn bộ trò chơi.
Cấu trúc tĩnh của protein giống như ảnh chụp một trận bóng đá: bạn có thể nhìn thấy đội hình nhưng không nhìn thấy trận đấu thực tế. | foldingathome.org
Tuy nhiên, việc sử dụng những hình ảnh tĩnh này làm điểm khởi đầu và tiến hành mô phỏng máy tính có thể dự đoán chuyển động của từng nguyên tử trong protein và chỉ ra những khu vực có thể thay đổi hình dạng, cho phép các nhà khoa học quan sát toàn bộ trò chơi và sau đó phát triển các chiến lược tấn công và phòng thủ có mục tiêu. Hãy lấy virus Ebola làm ví dụ. Trước đây, mọi người tin rằng protein VP35 trong vi-rút không có vị trí tác dụng của thuốc. Tuy nhiên, các mô phỏng máy tính gần đây đã phát hiện ra rằng các cấu trúc mới được tạo ra trong quá trình thay đổi động có khả năng tiếp nhận tác dụng của thuốc[1], điều này gợi ý một hướng mới để tìm ra phương pháp điều trị.
Tương tự như vậy, khi phát triển thuốc chống lại loại virus corona mới, chúng ta có thể tìm thấy ý tưởng từ những nghiên cứu như vậy. Vấn đề duy nhất là những mô phỏng như vậy đòi hỏi nguồn tài nguyên tính toán lớn và tốn kém. Các máy tính trong văn phòng của các nhà sinh học có thể phải hoạt động không ngừng nghỉ trong hàng trăm hoặc thậm chí hàng chục nghìn năm để mô phỏng động lực học của một loại protein.
Hãy tham gia cùng chúng tôi trên toàn thế giới, bạn có thể
May mắn thay, có hàng tỷ máy tính cá nhân trên khắp thế giới và những người bình thường nhiệt tình tham gia mạng máy tính phân tán đã khiến thời gian cần thiết để mô phỏng động lực học protein trở nên chấp nhận được.
Vào tháng 3, sau khi nhóm dự án Folding@home đưa ra lời kêu gọi trên mạng xã hội, nhiều người đã tham gia mạng lưới điện toán phân tán này. Số lượng người dùng tham gia đã tăng từ khoảng 30.000 vào tháng 2 lên hơn một triệu hiện nay. "Bạn có thể nhận thấy một số độ trễ trong quá trình cài đặt", Bowman chia sẻ trên mạng xã hội. "Có quá nhiều người tải xuống ứng dụng khiến máy chủ không thể theo kịp. Chúng tôi đang nỗ lực để đưa máy chủ mới trực tuyến."
Nhiều nhà sản xuất phần cứng PC, trò chơi điện tử và phương tiện truyền thông cũng kêu gọi người dùng tham gia | Twitter: @PC MASTER RACE
Mặc dù sức mạnh tính toán của từng thiết bị riêng lẻ là không đáng kể, nhưng khi số lượng lớn thiết bị cộng lại thì sức mạnh tính toán khả dụng sẽ vượt quá mong đợi của mọi người. Hiện nay, siêu máy tính mạnh nhất thế giới là Summit của IBM, có thể thực hiện 200 nghìn tỷ phép tính mỗi giây (2x10^17 lần mỗi giây). Vào ngày 21 tháng 3, Bowman đã thông báo trên mạng xã hội rằng tốc độ tính toán tổng thể của Folding@home nhanh gấp đôi siêu máy tính Summit. Chỉ năm ngày sau đó, họ bất ngờ thông báo rằng tốc độ tính toán đã vượt quá 100 nghìn tỷ lần mỗi giây (10^18 lần mỗi giây), cao hơn gấp nhiều lần so với các siêu máy tính tiên tiến nhất. Những sức mạnh tính toán này liên tục được đầu tư vào nghiên cứu liên quan đến protein virus corona mới. Các dự án mô phỏng như phức hợp protein gai-protein ACE2, protease virus corona mới và protein kháng thể liên tục được phân tách và gửi đến những người tham gia trên toàn thế giới.
Bạn không bao giờ có thể có quá nhiều tài nguyên máy tính. Ngoài việc rửa tay thường xuyên, đeo khẩu trang và ở nhà nhiều nhất có thể, bất kỳ ai có máy tính có kết nối internet đều có thể đóng góp thêm vào cuộc chiến chống lại dịch bệnh. Truy cập trang web chính thức của dự án Folding@home, tải xuống ứng dụng, cài đặt và khởi động chương trình - lúc này, máy tính của bạn đã sẵn sàng tiếp nhận nhiệm vụ và cung cấp thông tin cơ bản cho việc nghiên cứu và phát triển các loại thuốc đặc biệt.
Giao diện hoạt động của Folding@home. Có thể tìm thấy trên trang web chính thức rằng nhiệm vụ (PRCG: 13851) đang tiến hành tại thời điểm này là một nghiên cứu liên quan đến SARS-CoV và SARS-CoV-2 | Kiểm soát FAH
Ngoài ra, trên Nền tảng mở cho mạng máy tính của Đại học Berkeley (BOINC), dự án y sinh Rosetta@home cũng đang chuyển trọng tâm sang điện toán liên quan đến vi-rút corona và bạn thậm chí có thể chạy nó trên điện thoại thông minh của mình.
Đại dịch do virus corona mới có thể là đại dịch tồi tệ nhất kể từ đại dịch cúm năm 1918. Lần này, con người nắm giữ một loại vũ khí hoàn toàn mới để chống lại căn bệnh này. Trước đây, nó được dùng để ngắm bầu trời đầy sao vô tận, và giờ đây nó sẽ giúp chúng ta cứu sống những sinh mạng đang ngước nhìn bầu trời đầy sao đó.
Quan trọng hơn, ngay cả những người bình thường không biết gì về y học và sinh học cũng có thể đóng góp một chút vào việc sử dụng lưỡi kiếm sắc bén này. Suy cho cùng, chúng ta có hàng tỉ người và chúng ta tin rằng sức mạnh này đủ để vượt qua mọi trở ngại.
Tài liệu tham khảo:
[1] Cruz MA, Frederick TE, Singh S, Vithani N, Zimmerman MI, Porter JR, Moeder KE, Amarasinghe GK, Bowman GR. 2020. Phát hiện ra vị trí dị lập bí ẩn trong protein VP35 'không thể điều trị' của Ebola bằng cách sử dụng mô phỏng và thí nghiệm. bioRxiv:2020.02.09.940510.
[2] https://setiathome.berkeley.edu/
[3]https://www.theatlantic.com/science/archive/2017/05/aliens-on-your-packard-bell/527445/
[4] https://foldingathome.org/2020/02/27/foldinghome-takes-up-the-fight-against-covid-19-2019-ncov/
[5] https://foldingathome.org/2020/03/15/coronavirus-what-were-doing-and-how-you-can-help-in-simple-terms/
[6] https://www.dezeen.com/2020/03/25/coronavirus-cure-folding-at-home-software/
[7] https://medicine.wustl.edu/news/crowdsourced-supercomputing-project-sets-sights-on-coronavirus/
[8] http://boinc.bakerlab.org/rosetta/rah/rah_about.php
Tác giả: Cây giống óc chó
Biên tập: Mai Mai
Bài viết này được trích từ Guokr và không được phép sao chép nếu không được phép.
Nếu cần thiết, vui lòng liên hệ [email protected]
