コンピューターはありますか？携帯電話をオンにして、新しいコロナウイルスの研究に参加しましょう！

インターネットに接続できるコンピューターをお持ちであれば、あなたもこの疫病との戦いに協力することができます。

以下のアニメーションは、新型コロナウイルスのスパイク糖タンパク質の見た目の変化を現実世界でシミュレートしたものです。このタンパク質は非常に重要であり、ウイルスが細胞に侵入するための鍵となります。この成果は抗ウイルス薬の開発に指針を与えるものとなるでしょう。

SARS-CoV-2 スパイク糖タンパク質の動的シミュレーション。新しいコロナウイルスは、スパイク糖タンパク質を介してヒト細胞上のACE2受容体タンパク質に結合し、ヒト細胞に侵入します。 |ツイッター: @グレッグ・ボウマン

これは科学者が大型で高価な科学機器を使用して生成したものだと思われるかもしれません。しかし実際には、この結果は数十万人の一般人のパソコンから得られたものです。このプロジェクトは「Folding@home」（直訳すると「自宅でのタンパク質折り畳み」、公式サイトのリンクは記事末尾の「原文を読む」をクリックすることで見つかります）と呼ばれており、あなたも参加することができます。

物語は20年前に始まる

1960 年代、科学者たちは電波望遠鏡を使って宇宙からの電波信号を聞き、地球外知的生命体の兆候を探そうとし始めました。このデータを分析するには膨大な計算能力が必要です。プロジェクトの規模が拡大するにつれて、分析に必要なコンピューティング リソースがボトルネックになります。そこで、ミレニアムの前夜、インターネットが世界の隅々にまで拡大していた頃、彼らは、各家庭のコンピューターを集めて、一緒にコンピューティング作業を完了するというアイデアを思いつきました。

SETI 創設者フランク・ドレイク氏が電波望遠鏡で収集したデータを調べる |ルー・デマティス/ロイター

1999 年 5 月 17 日に、SETI@home (Search for ExtraTerrestrial Intelligence at Home) が正式に開始されました。カリフォルニア大学バークレー校のプログラマーと天文学者によって運営されているこのプロジェクトは、最も初期の「自発的分散コンピューティング プロジェクト」の 1 つでした。このプロジェクトに参加する人は、自分のコンピュータを大学に郵送する必要はなく、クライアントをダウンロードするだけで済みます。設定が完了すると、コンピュータがスクリーンセーバーモードに入ると、サーバーから地球外無線信号の記録が自動的にダウンロードされ、地球外生命体からの挨拶が検索されます。

今日では、パーソナル コンピューターは当時よりも 100 倍以上高速化されているため、これらのコンピューティング タスクはコンピューターの速度を低下させることなくいつでも実行できます。したがって、元の SETI@Home とは異なり、現在のプロジェクトはスクリーン セーバーがオンのときにのみ実行されるように制限されておらず、いつ実行するかはユーザーに選択が与えられます。ユーザーは、他のアプリケーションがあまりアクティブでないときにのみこのプロジェクトを実行するか、他の作業中に実行するように設定することができます。

「ボランタリー分散コンピューティング」は、大規模な科学計算のニーズを満たすことができます。インターネットを通じてパーソナルコンピュータの計算能力を結集します。膨大な計算タスクはサーバー側で多数の小さなデータ パケットに分割され、インターネットを通じて各パソコンに配信されます。パソコンは個別に計算を実行し、それを統合のためにサーバーに送り返します。 「分散コンピューティング」は特別なスーパーコンピュータと考えることができます。従来のスーパーコンピュータは巨大なコンピュータ室にあり、多数のプロセッサがケーブルで接続されて、コンピューティング タスクをまとめて実行します。一方、自発的分散コンピューティングでは、インターネットを介して世界中のプロセッサを接続して計算を実行します。

SETI@home プロジェクトは今年 3 月 31 日に無期限に停止されましたが、関係者は引き続き COVID-19 研究などの他の分散コンピューティング プロジェクトに参加するよう全員に奨励しています。|設定ホーム.berkeley.edu

SETI@homeが始まってから20年の間に、このアイデアはさまざまな分野に応用されてきました。現在、Berkeley Open Platform for Internet Computing (BOINC) では、大型ハドロン衝突型加速器のデータを分析する LHC@home、パルサーからの重力波を探す Einstein@home、大きな素数を探す PrimeGrid など、さまざまな分野のプロジェクトを見つけることができます。記事の冒頭で触れた、地震を検知する Quake-Catcher Network や、タンパク質の折り畳みとダイナミクスに焦点を当てた Folding@Home など、独立したプラットフォームも数多く存在します。

SETI@home を開発した科学者たちは、おそらく 20 年後にこの技術が世界的な疫病との戦いに使われるとは予想していなかったでしょう。この記事を読んでいる今、Folding@home は、この流行との戦いを支援するために、世界中のコンピューターに大量のコロナウイルス分析タスクを配布しています。

タンパク質の動態画像を解析する

SETI@homeがオンラインになってから1年半後、何百万ものボランティアのコンピューターが星空の音を聞き、地球外生命体を探していた頃、Folding@homeがリリースされました。科学者たちは、分散コンピューティングの力を利用してタンパク質の折り畳みをシミュレートし、病気におけるその役割を理解し、新薬の探索に必要な情報を提供したいと考えています。このプロジェクトは過去 20 年間にわたり、乳がんに関連する異常なキナーゼの分析、エボラウイルスの潜在的な薬剤ターゲットの発見、アルツハイマー病における異常なタンパク質構造の予測など、一連のタスクに貢献してきました。

プロジェクトの運用7100日目と2020年2月の悲惨な終わりに、チームリーダーの生物物理学者グレッグ・ボウマン氏は、プロジェクトの公式サイトで、新型コロナウイルスのタンパク質に関連する作業にFolding@homeを使い始め、その後、新型コロナウイルスのタンパク質に関連する計算タスクの優先度を高めたことを発表しました。

Folding@home チーム |折り畳み式ホーム

タンパク質の基本単位はアミノ酸ですが、アミノ酸が長い鎖に配列された後、機能する前に三次元構造に折り畳まれる必要があります。折り畳みプロセス、最終構造、折り畳まれたタンパク質のダイナミクスはすべて、タンパク質の機能、ひいては生命活動に影響を与えます。

科学者はタンパク質の静的構造を分析するための多くの方法を持っています。例えば、クライオ電子顕微鏡法によって、新型コロナウイルスのスパイク糖タンパク質の構造が実証されました。しかし、これらの方法では、特定の瞬間のタンパク質の画像しか表示できません。ボウマン氏はそれを、試合の準備をしているフットボール選手の写真に例えた。フォーメーションは確認できますが、ゲーム全体は確認できません。

タンパク質の静的構造は、フットボールの試合の写真のようなものです。フォーメーションは見えますが、実際の試合は見えません。 |折り畳み式ホーム

しかし、これらの静止画像を出発点としてコンピューターシミュレーションを実行すると、タンパク質内の各原子の動きを予測し、形状が変化する可能性のある領域を示すことができるため、科学者はゲーム全体を把握し、的を絞った攻撃および防御戦略を立てることができます。エボラウイルスを例に挙げてみましょう。これまで、ウイルス内のVP35タンパク質には薬剤が作用する部位がないと考えられてきました。しかし、最近のコンピューターシミュレーションでは、動的変化中に生成される新しい構造が薬剤の作用に反応することが判明しており[1]、これは治療法を見つけるための新たな方向性を示唆しています。

同様に、新型コロナウイルスに対抗する薬を開発する際にも、こうした研究からアイデアが見つかるかもしれません。唯一の問題は、このようなシミュレーションには膨大で高価なコンピューティング リソースが必要になることです。生物学者のオフィスにあるコンピューターは、タンパク質のダイナミクスをシミュレートするために、何百年、あるいは何万年も休みなく稼働しなければならないかもしれない。

世界中で参加して、

幸いなことに、世界中には何十億台ものパーソナルコンピュータがあり、分散コンピューティングネットワークに熱心に参加する一般の人々のおかげで、タンパク質のダイナミクスをシミュレートするのに必要な時間は許容できるものになりました。

3月にFolding@homeプロジェクトチームがソーシャルメディアで呼びかけた後、多くの人がこの分散コンピューティングネットワークに参加しました。参加ユーザー数は2月の約3万人から現在では100万人以上に増加しています。 「インストール中に多少の遅延に気付いたかもしれない」とボウマン氏はソーシャルメディアで述べた。 「クライアントをダウンロードする人が多すぎて、サーバーが追いつきません。新しいサーバーをオンラインにするために懸命に取り組んでいます。」

多くのPCハードウェア、ビデオゲーム関連メーカー、メディアもユーザーに参加を呼び掛けた。 Twitter: @PC マスターレース

個々のデバイスの計算能力はごくわずかですが、合計すると膨大な数になるため、利用可能なアイドル計算能力はすべての人の予想を超えます。現在、世界で最も強力なスーパーコンピュータは IBM の Summit であり、1 秒あたり 200 京回 (1 秒あたり 2x10^17 回) の計算を実行できます。 3月21日、ボウマン氏はソーシャルメディア上で、Folding@homeの総計算速度はSummitスーパーコンピューターの2倍であると発表した。わずか 5 日後、驚くべきことに、計算速度が 1 秒あたり 100 京回 (1 秒あたり 10^18 回) を超え、最先端のスーパーコンピューターよりも 1 桁高い速度に達したことが発表されました。これらの計算能力は、新型コロナウイルスのタンパク質に関連する研究に継続的に投入されています。スパイクタンパク質-ACE2タンパク質複合体、新型コロナウイルスプロテアーゼ、抗体タンパク質などのシミュレーションプロジェクトが継続的に分割され、世界中の参加者に送信されています。

コンピューティング リソースは多ければ多いほど良いということはありません。頻繁に手を洗い、マスクを着用し、可能な限り家に留まるだけでなく、インターネットにアクセスできるコンピューターを持っている人なら誰でも、この流行との戦いにさらに貢献することができます。 Folding@home プロジェクトの公式 Web サイトにアクセスし、クライアントをダウンロードしてインストールし、プログラムを起動します。この時点で、コンピューターはタスクを受信し、特殊医薬品の研究開発のための基本情報を提供する準備が整います。

Folding@home の操作インターフェース。現在実行中のタスク (PRCG: 13851) は SARS-CoV および SARS-CoV-2 に関連する調査であることが公式 Web サイトからわかります。 FAHコントロール

さらに、バークレー大学のネットワークコンピューティングのためのオープンプラットフォーム（BOINC）では、バイオメディカルプロジェクトRosetta@homeもコロナウイルス関連のコンピューティングに重点を移しており、スマートフォンで実行することもできます。

新型コロナウイルス感染症のパンデミックは、1918年のインフルエンザのパンデミック以来最悪の疫病となるかもしれない。今回、人類は病気と戦うためのまったく新しい武器を手にしました。かつては果てしない星空を眺めるために使われていたものが、今では同じ星空を見上げている人々の命を救うために使われるようになりました。

さらに重要なのは、医学や生物学について何も知らない普通の人でも、この鋭い刃を扱うことに少しは貢献できるということです。結局のところ、私たちは何十億もいて、この力があればあらゆる障害を克服できると信じています。

参考文献:

[1] クルーズ MA、フレデリック TE、シン S、ビタニ N、ジマーマン MI、ポーター JR、モダー KE、アマラシンハ GK、ボウマン GR。 2020年。シミュレーションと実験を用いて、エボラウイルスの「創薬不可能な」VP35タンパク質における謎のアロステリック部位を発見。出典：http://www.bio.gov/depts ...

[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

著者: クルミの苗木

編集者：マイマイ

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