با کامپیوتر خود به یافتن واکسن ویروس کرونا کمک کنید

در مورد ویروس کرونا بسیار حرف زده‌ایم. ویروس کرونا که تاکنون جان بیش از ۱۷۰ هزار نفر را گرفته است، احتمالا به یک بیماری همیشگی مثل سرماخوردگی و آنفولانزا تبدیل شود و برای همیشه در بین ما باقی بماند.

به همین دلیل باید هر چه سریع‌تر درمان یا واکسنی برای آن بیابیم که بتوانیم به زندگی عادی‌مان برگردیم. تا به امروز راهکار مقابله با ویروس کرونا این بود که در خانه بمانیم. اما من می‌خواهم یک‌راه کمکی دیگر را هم مطرح کنم.

شما می‌توانید با کامپیوتری که در خانه دارید، روند یافت دارو و واکسن ویروس کرونا را سرعت ببخشید. با ما همراه باشید.

چرا سوپرکامپیوتر؟

در دنیا ابرکامپیوتر یا سوپرکامپیوترهای متعددی وجود دارند. بیشتر این سوپرکامپیوترها نه در شرکت‌های بزرگی فناوری بلکه در موسسات تحقیقاتی استفاده می‌شوند.

این سوپرکامپیوترها ممکن است که بخشی از کامپیوترهای شرکت‌های بزرگ فناوری مثل گوگل و آی‌بی‌ام (IBM) باشند، اما استفاده‌کننده اصلی از آن‌ها دانشگاه‌ها و موسسات تحقیقاتی هستند.

این سوپرکامپیوترها برای شبیه‌سازی آب‌وهوا، پدیده‌های فیزیک-شیمی و زیست-فیزیک و کلا هر پدیده پیچیده دیگری استفاده می‌شوند.

شبیه‌سازی آب‌وهوا برای پیش‌بینی آب‌وهوا لازم است. شبیه‌سازی دیگر پدیده‌ها هم برای درک چگونگی عملکرد آن‌ها و یافتن راهکارها برای مشکلات مربوطه لازم هستند.

سوپرکامپیوتر Summit شرکت آی‌بی‌ام

بیشتر این پدیده‌ها، طبیعتی ساده دارند. اما وقتی تعداد اجزای موجود که با همین طبیعت ساده رفتار می‌کنند زیاد می‌شود، سیستمی به وجود می‌آید که نمی‌توان به‌صورت تحلیلی آن را حل کرد و تغییرات آن را یافت. بلکه تنها می‌توان آن‌ها را با کامپیوتر شبیه‌سازی کرد.

از آنجایی هم که تعداد اجزا در سیستم‌های طبیعی بسیار زیاد است، شبیه‌سازی آن‌ها بسیار سخت و پیچیده می‌شود و نیازمند توان پردازشی بسیار بالایی است.

اینجاست که سوپرکامپیوترها لازم می‌شوند.

شبیه‌سازی کامپیوتری در حوزه زیست-فیزیک

شبیه‌سازی‌ها یکی از مهم‌ترین کارهایی است که در حوزه‌های مختلف علم صورت می‌گیرد. از جمله حوزه زیست‌شناسی که در ترکیب با فیزیک حوزه بین‌رشته‌ای زیست-فیزیک را می‌سازد.

شرکت‌های داروسازی وقتی می‌خواهند داروی جدیدی را بسازند، قبل از اینکه تلاش کنند خود دارو را بسازند و مثلا بر روی حیوانات یا انسان‌ها آزمایش کنند، همه‌چیز را شبیه‌سازی می‌کنند.

چون گاهی وقت‌ها نمی‌دانند که چه دارویی می‌تواند مفید باشد و وقت‌های دیگر نمی‌دانند که چگونه یک داروی خاص را تولید کنند. با شبیه‌سازی می‌توان پاسخ درستی برای این سوالات یعنی یافتن و ساختن داروی مناسب پیدا کرد.

مرحله اول این است که خود ماده دارویی را در کامپیوتر خلق کرده و سعی می‌کنند نحوه رفتار آن را دریابند. چنین کاری باعث می‌شود بتوان روش بهینه‌تری برای تولید صنعتی و آزمایشگاهی آن ماده پیدا کرد.

بخش دوم این است که سعی می‌کنند رفتار این ماده دارویی را در حضور مواد مختلف بدن مثل پروتئین‌ها، آنزیم‌ها، آنتی‌بادی‌ها و هزاران ماده مختلف موجود در بدن شبیه‌سازی کنند تا اثر ماده را بر بدن بررسی مشخص شود.

ساختن دارو و واکسن ویروس کرونا

یکی از تلاش‌هایی که چندین ماه است از سوی شرکت‌های دارویی و گروه‌های تحقیقاتی برای مقابله با ویروس کرونا آغاز شده است، تولید داروهایی برای مقابله با ویروس کرونا و تولید واکسن برای پیشگیری از ابتلا به آن است.

این مسئله مهم‌ترین مسئله دنیای امروز است. زیرا با وجود پندمی ویروس کرونا، همه ابعاد زندگی انسانی تحت تاثیر قرار گرفته‌اند. اقتصاد خوابیده و بسیاری هم فوت‌ شده‌اند. در نتیجه ساخت یک دارو یا تولید واکسن ویروس کرونا اهمیتش بسیار بیشتر از آن است که در ظاهر به نظر می‌رسد.

گیرنده ACE2 (آبی) که ویروس کرونا به آن متصل متصل می‌شود

از آن‌سو تولید دارو و واکسن برای ویروس کرونا برای خود همین شرکت‌های دارویی اهمیت اقتصادی دارد. زیرا شرکتی که بتواند هر چه سریع‌تر یک دارو یا واکسن موثر علیه ویروس کرونا تولید کند، می‌تواند پول فراوانی به جیب بزند. این یکی از جنبه‌های جذاب نظام سرمایه‌داری است.

پروتئین‌ها سنگ بنای بدن موجودات زنده

پروتئین‌ها در بدن ما و بقیه موجودات زنده مسئول همه کارهای بدن هستند. آن‌ها بافت‌ها را شکل می‌دهند، به شکل آنزیم‌های مختلف درمی‌آیند و در هضم غذاها، سوزاندن قند و چربی و بسیاری از کارهای دیگر به کار می‌روند.

در مواقع ورود یک عفونت به بدن، سیستم ایمنی پروتئین‌هایی می‌سازد که عفونت را می‌کشند. این پروتئین‌ها آنتی‌بادی نام دارند.

برخی دیگر از پروتئین‌ها مسئول کنترل ورود و خروج جریان یون‌ها، آب و کلی مولکول دیگر از سلول هستند. هر کاری که بدن ما انجام می‌دهد با پروتئین‌ها انجام می‌شود.

به همین دلیل هم مهم‌ترین مولکول‌های بدن ما همین پروتئین‌ها هستند. حتی دی‌ان‌ای (DNA) هم که اطلاعات ژنتیکی سلول‌ها و کل بدن ما را ذخیره می‌کند، با پروتئین‌ها کنترل می‌شود، کارش هم تولید پروتئین‌های مختلف برای انجام کارها و کنترل بخش‌های مختلف بدن است.

آمینواسید‌ها اجزای سازنده پروتئین‌ها

پروتئین‌ها از اجزایی به نام آمینواسیدها ساخته می‌شوند. در کل ۲۲ دو نوع آمینواسید در طبیعت وجود دارد که ۲۰ نوع از این آمینواسیدها برای کارکردهای بدن ما لازم هستند.

۱۱ آمینواسید را خود بدن ما می‌تواند با استفاده از موادی که دریافت می‌کند بسازد؛ اما ۹ آمینواسید دیگر وجود دارند که بدن نمی‌تواند آن‌ها را بسازد. به این آمینواسید‌ها، آمینواسیدهای اساسی گفته می‌شود و چون در بدن ساخته نمی‌شوند باید به‌واسطه غذاهایی که می‌خوریم تامین گردند.

وقتی غذا می‌خوریم، بافت مواد غذایی که می‌خوریم هم از پروتئین‌ها تشکیل‌ شده است. بدن ما این پروتئین‌ها را دریافت کرده و آن‌ها را به آمینواسیدهای آن می‌شکند. سپس با استفاده از این آمینواسیدها پروتئین‌های لازم خود را می‌سازد.

مراحل تا شدن پروتئین و ترتیب آمینواسیدهای آن

این آمینواسیدها به درون سلول‌ها وارد می‌شوند و ماشین‌های مولکولی موجود در سلول که آن‌ها هم که خود پروتئین‌ هستند، با استفاده از این آمینواسید‌ها و کدهای ژنتیکی پروتئین‌های مختلف را می‌سازند.

پروتئین‌ها همه یک اندازه نیستند. یک پروتئین ممکن است از صدها آمینواسید تشکیل شود. پروتئین‌ دیگر ممکن است فقط چند ده آمینواسید داشته باشد. اما صرفا ساختن این پروتئین‌ها کافی نیست. این پروتئین‌ها باید شکل مناسب داشته باشند.

تا کردن پروتئین‌ها

در ابعاد مولکولی و سلولی شکل یک پروتئین‌ و خیلی از مولکول‌های بزرگ تعیین می‌کند که آن پروتئین چه‌کار می‌تواند انجام دهد.

مثلا اگر همین ویروس کرونا را در نظر بگیریم. این ویروس روی سطح خود پروتئین‌هایی دارد که با استفاده از آن‌ها به گیرنده‌های ACE2 روی سلول که آن‌ها هم پروتئین‌ هستند، متصل می‌شوند. آنچه باعث می‌شوند پروتئین‌‌های روی ویروس کرونا به این گیرنده‌ها متصل شوند، شکل آن‌ها است.

این قضیه در مورد هر چیز دیگری هم در بدن صدق می‌کند.

وقتی سیستم ایمنی برای از بین بردن عفونت‌های واردشده به بدن، آنتی‌بادی تولید می‌کند، ازآنجایی‌که خود این آنتی‌بادی‌ها نوعی از پروتئین‌ هستند، شکل آن‌ها باید متناسب با مشخصات ویروس کرونا باشند تا بتوانند به این ویروس‌ کرونا متصل شوند و آن‌ها را کشته یا غیرفعال کنند.

وقتی یک زنجیره پروتئینی در داخل سلول با استفاده از ژن‌ها ساخته می‌شود، این پروتئین برای اینکه بتواند کار خود را انجام دهد، باید به شکل درست دربیاید. به همین دلیل زنجیره‌های پروتئینی پس از ساخته‌شدن، طی فرآیندی به نام تا شدن (Protein Folding) به شکل موردنیاز درمی‌آیند.

تصویر سه‌بعدی آنتی‌بادی پیشنهادی که می‌تواند به ویروس کرونا متصل شود

نکته مهم اینجاست که ساختار زنجیره پروتئینی مشخص می‌کند که یک پروتئین چگونه تا شود. پروتئین‌‌ها به‌محض شکل‌گیری، به‌صورت طبیعی با توجه به خصوصیات آمینواسید‌های موجود در زنجیره خود، شروع به تا شدن می‌کنند.

بااین‌همه، ماشین‌های مولکولی دیگری که خود آن‌ها نیز پروتئین هستند، در سلول وجود دارند که به تا شدن پروتئین‌های تازه ساخته‌شده کمک می‌کنند.

اما یک مشکل وجود دارد. مشکل اینجاست که همه پروتئین به نحو درستی تا نمی‌شوند. این تا شدن اشتباهی اگر در سطح وسیعی رخ دهد می‌تواند به بیماری‌های متعددی منجر شود. بسیاری از بیماری‌های عصبی مثل پارکینسون و آلزایمر حاصل همین اشتباه تا شدن پروتئین‌ها هستند. بسیاری از سرطان‌ها نیز حاصل همین اشتباه تا شدن پروتئین‌ها هستند.

به همین دلیل فهم سازوکار و نحوه تا شدن پروتئین‌ها نقش بسیار مهمی در یافتن علت، تغییرات و درمان‌های بیماری‌های متعدد دارد. ازاین‌روی بخش مهمی از کارهای تحقیقاتی در مورد این بیماری‌ها، فهمیدن نحوه تا شدن انواع پروتئین‌های دخیل در آن‌ها هستند. برای مطالعه نحوه تا شدن پروتئین‌ها هم، شبیه‌سازی نحوه رفتار آن‌ها بسیار مهم است.

اما همان‌طور که احتمالا خودتان حدس می‌زنید شبیه‌سازی نحوه تا شدن پروتئین‌ها کار بسیار سخت و پیچیده‌ای است و توان پردازشی کامپیوتری بسیار زیادی می‌خواهد.

در نتیجه سوپرکامپیوترها به میدان می‌آیند.

اما سوپرکامپیوترها چیست‌اند؟

سوپرکامپیوترها به لحاظ کارکرد تفاوت چندانی با کامپیوترهای معمولی ندارند. صرفا سیستم‌های هستند که تعداد زیادی هسته پردازشی دارند. البته در سوپرکامپیوترها برای اینکه دقت و بازدهی کار بالاتر برود پردازنده‌های پرسرعت مثل پردازنده‌های سری زئون (Xeon) اینتل یا سی‌پی‌یوهای سری اپیک (EPYC) و تردریپر (threadripper) شرکت AMD استفاده می‌شوند. این‌ها همان سی‌پی‌یوهایی هستند که در سرورهای نیز استفاده می‌شوند.

اما بااین‌همه اگر شما صرفا چند کامپیوتر معمولی را با کابل‌های شبکه به هم وصل کنید و مثلا با استفاده از سیستم‌عامل لینوکس این کامپیوترها را با هم به مدیریت کنید، می‌توانید یک مجموعه پردازشی قوی بسازید.

اینجاست ما به‌عنوان مقاله حاضر می‌رسیم.

چگونه می‌توانید با کامپیوتر خود به یافتن واکسن ویروس کرونا کمک کنید؟

تیم‌های شبیه‌سازی بسیاری در دنیا وجود دارند. برخی از این تیم‌ها به سوپرکامپیوترهای بزرگ دسترسی دارند. برخی دیگر اما چنین دسترسی‌هایی ندارند یا اینکه دسترسی‌هایشان محدود است.

این دسترسی محدود خصوصا برای حوزه‌های پژوهشی که به‌طور مستقیم سود تولید نمی‌کنند یا اینکه به این زودی امیدی به سودآوری آن‌ها نیست، بیشتر دیده می‌شود. عموم این تیم‌ها هم در دانشگاه‌ها کار می‌کنند.

به همین دلیل این تیم‌های تحقیقاتی به این فکر کرده‌اند که امروزه که اینترنت در بخش‌های زیادی از جهان وجود دارد، کامپیوترهای زیادی هم وجود دارد که یا کلا استفاده‌ای از آن‌ها نمی‌شود یا اینکه در بیشتر طول روز بلااستفاده هستند، اگر بتوان نرم‌افزاری نوشت که همه این کامپیوترها را به‌وسیله اینترنت به هم وصل کرد و یک سوپرکامپیوتر توزیع‌شده درست کرد، می‌توان کارها را سریع‌تر پیش برد.

نسخه ابزار مرور کار در حال پردازش برای برنامه Folding@home

این ایده توسط موسسات تحقیقاتی متعددی استفاده می‌شود. مثلا موسسه تحقیقاتی سرن (CERN) در اروپا نرم‌افزاری دارد که با نصب آن روی کامپیوترتان، کامپیوتر شما بخشی از سوپرکامپیوتر پردازشی آن‌ها می‌شود و بخشی از داده‌های تولیدشده در سرن در کامپیوتر شما پردازش می‌گردند. اگر هم این تحقیقات به نتایجی برسند، نام شما هم در لیست مشارکت‌کنندگان می‌آیند.

ویروس کرونا را در خانه تا کنید

موضوع مقاله امروز ما در مورد یکی از همین تیم‌های تحقیقاتی است. پروژه‌ای به نام تا کردن در خانه یا Folding@home وجود دارد که سال‌هاست به روش مشابهی با استفاده از سرورها و کامپیوترهای اهدایی گوناگون، کامپیوترهای موجود در مرکز تحقیقاتی و کامپیوترهایی که کاربران در سراسر دنیا با نصب برنامه foldign@home به این مجموعه پردازشی متصل می‌کنند، روی نحوه تا شدن پروتئین‌ها و شبیه‌سازی آن‌ها کار می‌کند.

این پروژه در سه آزمایشگاه دانشکده پزشکی دانشگاه واشنگتن در سنت لوییس توسط دکتر گرگ بوومن ( Greg Bowman)، دکتر جان چودرا (John Chodera) از دانشکده پزشکی دانشگاه واشنگتن در سنت لوییس و وینز وولرز ( Vince Voelz) از دانشگاه تمپل (Temple University) هدایت می‌شود.

این پروژه از مدت‌ها پیش روی بیمارهای عصبی آلزایمر، پارکینسون و هانتینگتون (HUNTINGTON'S DISEASE)، سرطان سینه، جهش ژن P53 که نیمی از سرطان‌ها به دلیل این جهش روی می‌دهند، وراژنتیک (Epigenetics)، سرطان کلیه، ویروس زیکا، هپاتیت C، ویروس ابولا، ویروس تب دنگی (Dengue fever)، بیماری شاگاس (Chagas disease) تحقیق می‌کند.

ابزار کنترلی برنامه Folding@home

از زمان شیوع ویروس کرونا نیز این تیم تحقیقاتی کار روی بررسی ویروس کرونا، ژن آن، پروتئین‌ها‌ و نحوه عملکرد آن را آغاز کرده‌اند. این تحقیقات یکی از مهم‌ترین گام‌ها برای تولید واکسن یا داروهای ضدویروس موثر روی ویروس کرونا است.

از آنجایی هم که ویروس کرونا احتمالا به یک بیماری فصلی تبدیل شود ، اگر بتوان هر چه زودتر درمانی برای آن پیدا کرد، بهتر خواهد بود.

اگر شما هم دوست دارید در این پروژه شرکت کنید تا روند یافتن واکسن و دارو برای ویروس کرونا را سرعت ببخشید، نرم‌افراز Folding@home را از لینک روی متن از سایت این پروژه دانلود و روی کامپیوتر خود نصب کنید.

پس از دانلود و نصب این نرم‌افزار باید به یکی از تیم‌های که در اصل مدیریت یکی از سرورهای پروژه در دست دارد وارد شوید. برای این کار باید از لیست تیم‌های پروژه Folding@home شماره آن تیم را بردارید و در صفحه‌ای پیکربندی برنامه که در اولین اجرای آن نمایش داده می‌شود وارد کنید.

ابزار مرور کار در حال پردازش برای برنامه Folding@home

پس‌ازآن می‌توانید انتخاب کنید که کامپیوتر شما در چه زمان‌هایی برای متصل شدن به شبکه پردازشی استفاده شود. مثلا می‌توانید تنظیم کنید که وقتی با کامپیوتر کار نمی‌کنید به شبکه این پروژه وصل شده و بخشی از کارها را انجام دهد. این سیستم هم از سی‌پی‌یو و هم از کارت گرافیک شما کار می‌کشد.

در حال حاضر مجموع توان پردازشی کل کامپیوترهای وصل شده به این پروژه ۳ میلیون و ۹۰۶ هزار و ۷۶ ترافلاپ (TFLOP) است. هر فلاپ برابر یک عملیات ساده ریاضی در کامپیوتر است.

این توان پردازشی ۲۶ برابر قوی‌ترین سوپرکامپیوتر موجود در جهان یعنی سوپرکامپیوتر Summit شرکت آی‌بی‌ام است.

پس اگر دوست دارید شما هم کمکی به یافتن هر چه سریع‌تر درمان یا واکسن ویروس کرونا یا دیگر بیمارهای دردناک بشری بکنید، به این پروژه بپیوندید و یکی از چند میلیون‌ نفر مسئولیت‌پذیر جهان باشید.