Высокопроизводительные вычисления и моделирование для разработки перспективных лекарств и материалов

Высокопроизводительные вычисления и моделирование для разработки перспективных лекарств и материалов
в работе

Описание

Вычислительное моделирование является приоритетным инструментом решения научных и инженерных задач физики, техники, биологии, порождающим новые принципы ведения исследований и прикладных разработок.

В Центре перспективных исследований (ЦПИ СПбПУ) ведутся исследования в области атомистически точного моделирования веществ, направленного на поиск новых идей и способов для достижения опережающего уровня работ в области создания новых биологически активных веществ и функционально отличающихся материалов различного назначения, например:

  • Применение существующих и разработка новых методов моделирования нано- и биосистем;
  • Прогнозирование биологической активности низкомолекулярных веществ, нано-кластеров углерода, взаимодействующих друг с другом и белками, нуклеиновыми кислотами, полисахаридами, мембранами и гетерогенными ансамблями биомолекул;
  • Предсказательные оценки биологических рисков, связанных с использованием нано-частиц различной природы;
  • Нанобионика и атомно-молекулярный дизайн нанобиомиметических систем и материалов;
  • Молекулярный инжиниринг новой элементной базы для разделения и очистки веществ, оптоэлектронных устройств и нанотехнологий;
  • Новые активные начала и платформы для избирательной доставки диагностических и лекарственных средств.

Новые материалы

Современные методы компьютерного моделирования позволяют предсказывать многие свойства разрабатываемых материалов. Известны случаи, когда применение вычислительных испытаний снижает стоимость разработок в тысячи раз. Внеэкспериментальный дизайн новых продуктов, обладающих заданными свойствами, и технологий их получения становиться стандартом для отрасли материалов. Достаточно мощные кластеры способны «просматривать» и за недели «испытывать» коммерческие каталоги, включающие сотни тысяч веществ. К сожалению, при поиске композитов–материалов, состоящих из разных веществ, число комбинаций, требующих перебора, оказывается невообразимым.

Моделирования лекарственных средств

Мощные ПК, а тем более кластеры позволяют проводить расчеты кандидатов на роль лекарственных веществ, взаимодействующих с отдельными белками или другими функционально важными биомолекулами. Получаемые атомистически точные данные очень важны, но длительность вычислительного эксперимента часто сопоставима с временем реального испытания.

Появление суперкомпьютеров существенно изменяет возможности поиска и конструирования лекарств:

  • Появляется возможность опережающего моделирования целых «библиотек», т.е. сотен и тысяч веществ, способных взаимодействовать выбранной биомишенью, что критически снижает объемы избыточного химического синтеза и биологического скрининга веществ-кандидатов на роль лекарств.
  • Для отобранных кандидатов оказывается, возможным предсказание взаимодействия, с сотнями различных мишеней. Появляется возможность картирования ожидаемых активностей кандидата, что качественно изменяет процедуры выявления перспективных сфер применения препаратов в лечении различных заболеваний, априорных оценок возможных биологических рисков.
  • Возникают ранее отсутствовавшие возможности построения атомистически точных моделей взаимодействия препаратов с различными разрабатываемыми носителями и теми сложными ансамблями биомолекул, которые определяют процессы всасывания из места введения, транспорта в различные ткани химической биотрансформациии выведения разрабатываемых веществ.

Руководитель проекта