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Universität von Illinois: Beschleunigte Molekülmodellierung für schnelle Reaktion auf H1N1

 
 

Der erste Schritt zur erfolgreichen Eindämmung einer Pandemie wie der Schweinegrippe (H1N1) besteht in der schnellen Entwicklung von Medikamenten, die das neue und sich schnell verändernde Virus effektiv bekämpfen.

DIE HERAUSFORDERUNG

Im Fall von H1N1 war es sehr rechenintensiv festzustellen, wie Mutationen des Grippevirusproteins die Ansatzstelle des Impfstoffs Tamiflu verändern und den Impfstoff damit eventuell unwirksam machen konnten. Diese Untersuchung umfasste eine extrem umfangreiche Simulation eines Systems mit 35.000 Atomen. Ein Team von Wissenschaftlern der University of Illinois in Urbana-Champaign unter der Leitung von John Stone beschloss, hierfür erstmals Grafikprozessoren zu verwenden. Die Durchführung einer solchen Simulation auf einer CPU würde über einen Monat benötigen – und das Ergebnis wäre eine einzige Simulation und nicht die zahlreichen Simulationen, die für eine umfassende Studie notwendig sind.

DIE LÖSUNG

Stone und sein Team wählten die parallele NVIDIA CUDA Berechnungsarchitektur auf Tesla Grafikprozessoren für die Berechnung der Molekülmodelle und die Simulation der Wirkstoffresistenz der H1N1 Mutationen. Durch den Einsatz der Grafikprozessortechnologie konnten die Wissenschaftler viele Simulationen sehr effizient durchführen und kamen somit schneller zu Ergebnissen, die möglicherweise Menschenleben gerettet haben.

DIE AUSWIRKUNGEN

Die grafikprozessorbeschleunigten Berechnungen benötigten nur eine gute Stunde. Die beinahe tausendfache Leistungssteigerung mit GPU Computing und fortschrittlichen Algorithmen ermöglichte den Wissenschaftlern, „Notfallberechnungen“ zu biologischen Gefahren von enormer Tragweite durchzuführen und der medizinischen Forschungsgemeinschaft ihre Ergebnisse vorzulegen. Die Geschwindigkeits- und Leistungssteigerung ermöglichte ihnen nicht nur, ihr ursprüngliches Ziel zu erreichen – die Beurteilung der Wirksamkeit von Tamiflu für die Behandlung von H1N1 und seinen Mutationen – sondern gab ihnen dabei auch noch Zeit für andere wichtige Entdeckungen. Weitere Berechnungen zeigten, dass die genetischen Mutationen, die dazu führten, dass die Schweine- oder Vogelgrippeviren gegen Tamiflu resistent wurden, bei näherer Betrachtung die Bindung des Wirkstoffs mit den Virusproteinen zerstörten. Dies ermöglichte ein besseres Verständnis der grundlegenden Mechanismen hinter der Wirkstoffresistenz. Während der H1N1 Pandemie lieferten verbesserte, CUDA-basierte Algorithmen auf Tesla Grafikprozessoren innerhalb nur eines Nachmittags praktisch verwendbare Ergebnisse zur Wirksamkeit von Tamiflu. Mit herkömmlichen Ansätzen wären wochen- oder monatelange Berechnungen nötig gewesen, um dieselben Ergebnisse zu erzielen.


WEM NUTZT GPU COMPUTING?
Wissenschaftler und Forscher verwenden Grafikprozessoren zur Beschleunigung ihrer Anwendungen und erzielen Ergebnisse innerhalb von Tagen anstelle von Monaten und Minuten statt Tagen.



 
 
 
 
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