客观日本

【新型肺炎】世界第一超算“富岳”在新冠病毒研究中正在做哪些项目?

2020年07月06日 信息通信

世界第一的日本超算在征服新冠病毒方面有望大展身手。理化学研究所(理研)与富士通共同开发和运营的超级计算机 “富岳”在新冠病毒(SARS-Cov-2)治疗药物的开发和疫情防控等研究领域均发挥了威力。这些研究为理研与神户大学和京都大学等合作展开,研究人员的意识和积极性都非常高。富岳6月22日在计算速度的全球四项排名中登上榜首。

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世界第一超算“富岳”(图片:理研计算科学研究中心)

征服新冠需要超算的力量

新型冠状病毒感染症(COVID-19)正在全球蔓延。据美国约翰·霍普金斯大学统计,截至7月1日,全球累计感染人数已超过1000万人,死亡人数也超过了51万人。世界卫生组织(WHO)总干事谭德塞6月19日表示:“新冠病毒的全球大流行正在加速。世界进入了新的危险阶段”,呼吁提高警惕。

严峻的形势依然在持续,而且关于新冠病毒还有很多未解之谜。目前全球正争相开发疫苗和决定性的治疗药物,在这种情况下,拥有强大的计算能力、能在支持多样化研究的数据科学和各种模拟中发挥威力的超算备受关注。

日本国内的感染人数以东京都及周边为中心日渐增加。4月7日,文部科学省和理研的计算科学研究中心宣布,针对危机不断增加的疫情态势,将试运行富岳用于研发新冠病毒治疗药物以及实施旨在预防感染的模拟计算等。

富岳是2019年8月结束运行的超算“京”的后续机型,目前理研和富士通正在开发和构筑之中。开发费用与京基本相同,预计为1100亿日元。计算速度计划最终达到京的约100倍。预定2021年度正式开始投入使用,虽然目前尚未达到设计能力,但理研和富士通判断,现在的能力已足够应用于各种研究。

下面稍微回顾一下富岳的“前辈”京。京的开发计划是在日本政府的主导下于2006年启动的。富士通作为开发主体,于2012年9月开始投入使用。京拥有每秒1京次(京为兆的1万倍)的计算能力。得到了国内外的大学、公共研究机构和企业等的利用,不仅是能发挥超算威力的地球环境、防灾、生命科学及医学医疗等领域的公共研究,还为很多企业的开发研究做出了贡献。

在京正式投入使用前的2011年,京在超算的计算速度世界排名中已连续2次蝉联榜首。但之后被中国和美国的超算超过,排名大大下降。为此,日本政府确定了开发“新一代超算”的方针,并从2014年度开始与富士通共同推进后续机型的开发,也就是现在的富岳。富岳与京一样,也设置在神户市中央区的理研计算科学研究中心,有望实现优于京的运行成果。

据文部科学省介绍,在新冠病毒的研究领域,富岳有望解决以下4个课题:(1)确定新冠病毒候选治疗药物;(2)预测新冠病毒表面蛋白质的动态结构;(3)模拟解析大流行现象和对策;(4)对新冠病毒的相关蛋白质实施“碎片分子轨道计算”,今后也可能会继续追加课题。碎片分子轨道计算是开发靶向生物体内蛋白质的新药时可以使用的方法,最近受到关注。

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利用富岳探索COVID-19候选治疗药物的概念图(图片:理研/奥野恭史研究团队提供)

“为尽快结束疫情做贡献”

“富岳最重要的任务之一是通过强大的计算能力保护国民的安全,让国民放心。针对此次新型冠状病毒造成的国难,为在诊断治疗和预防感染扩散等方面提供科学应对策略,我们把正处于运转准备工作的富岳提前投入运行,以便为尽快结束疫情做贡献”。富岳的模拟成果备受期待,有助于实现划时代的新药开发,在决定将富岳正式用于新冠病毒研究之际,理研计算科学研究中心的松冈聪主任4月份发表了上述讲话。

富岳由位于石川县河北市的富士通IT产品公司制造,巨大的装置被分散装到72辆大卡车上陆续运至计算科学研究中心,5月13日完成搬运。6月16日面向媒体公开,目前已开始全力推进课题研究,并已取得成果。

首先来看一下“确定新冠病毒候选治疗药物”的课题。简单来说就是,尝试利用超算的威力精确模拟新冠病毒蛋白的分子水平运到,以探索候选治疗药物。

该研究由京都大学研究生院医学研究科的奥野恭史教授负责。新冠病毒中有几种对病毒增殖至关重要的蛋白质。如果能发现可以与这些蛋白质结合阻止其发挥作用的药物,即可抑制病毒繁殖。奥野教授就是基于这种理念开展研究的。

据奥野教授等介绍,利用富岳出色的计算能力,不仅是国内外正在开展临床试验的抗病毒药,包括现有药物在内,能从2100多种药物中探索候选治疗药物。富岳可以针对多种药物同时进行计算,因此还能调查同时使用两种以上的药物时的抗病毒效果。另外,如果能在分子水平了解蛋白质与药物的结合情况,还有望查清药物是通过什么机制发挥作用的。

据该研究团队介绍,京也很难准确地计算出哪种药物是怎样与哪种蛋白质结合的,最多只能计算与蛋白质结合后的情况,但富岳可以从药物与蛋白质相遇时开始再现结合的场景。

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新冠病毒与化合物的结合模拟(图片:理研/奥野恭史研究团队提供)

逼近病毒的行为

新冠病毒还有很多未解之谜。病毒本身的行为也不十分清楚。利用富岳“调查和预测病毒表面蛋白质的动态结构”就显得极为重要。这项研究由理研生命机能科学研究中心的杉田有治组长担任代表。

新冠病毒要想繁殖,必须进入人体内的细胞。细胞有受体蛋白,随着病毒表面的蛋白质与受体蛋白结合,病毒进入细胞内。类似于病毒利用“备用钥匙”打开了细胞的“锁”,让这把锁无法使用,就能防止病毒入侵。研究人员利用特殊的电子显微镜逐渐明确了相当于细胞锁的受体蛋白的立体结构,但蛋白质不断移动,结构会逐渐发生变化。因此,并不十分清楚病毒的备用钥匙是在何时打开细胞的锁的。

据杉田组长等人介绍,该研究将利用富岳计算(分子动力学计算)形成细胞锁的大量原子的动作,明确通过实验难以发现的受体蛋白的形状变化,并查清与病毒的备用钥匙结合的状态。然后开发阻断这种结合的药物。

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新冠病毒表面的蛋白质(图片:理研/杉田有治研究团队提供)

预测室内环境下的病毒飞沫感染及制定相关对策的研究也备受关注。该课题由神户大学研究生院系统情报学研究科的坪仓诚教授负责,除理研外,还与丰桥技术科学大学、京都工艺纤维大学、大阪大学和鹿岛建设公司共同推进研究。

据说新冠病毒除咳嗽、打喷嚏和讲话等产生的飞沫外,还通过由微小飞沫形成的气溶胶传播。要想评估感染风险,需要准确推算飞沫和气溶胶的扩散路径,但扩散路径会受到气流、湿度和温度等多重因素的影响。因此,为推算扩散路径,需要进行庞大的计算。所以,富岳安装的超大规模热流体解析软件“CUBE”备受期待。

坪仓教授等人的研究团队在利用“CUBE”等模拟飞沫运动的研究中已经获得一些宝贵的数据。虽然得到的结果都是此前已经指出过的,比如为预防新冠疫情扩散,避免在拥挤的电车内以及面对面讲话至关重要等,但与超算的计算结果一致陡然为这种观点增加了说服力。

下面介绍几个模拟结果。

◎“在电车内,打开车窗时的通风量能比关闭车窗时增加2~3倍,但拥挤的车内通风不均匀,因此乘客之间需要确保足够的空隙”。这表明,通风虽然有一定的效果,但避开满员电车选择错峰通勤更重要。

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列车内的飞沫和气溶胶感染风险评估(图片:理研/神户大学坪仓诚研究团队提供)

◎“办公室的隔板高度如果是120厘米,则效果有限。140厘米的话效果比较好,能抑制十分之一的飞沫”。难以将办公桌椅横着排成一排工作的办公室可以参考这种预防飞沫的对策。此外,关于无纺布口罩的效果也获得了可以作为参考的具体结果,比如,如果口罩与面部之间有缝隙,飞沫会流出40~50%等。

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4人落座时的感染风险评估。左侧为高120厘米的隔板。右侧为高140厘米的隔板。蓝色部分表示飞沫的扩散情况(图片:理研/神户大学坪仓诚研究团队提供)

运行富岳的研究人员的责任与自豪感

富岳还被用于推算新冠病毒疫情扩散对社会和经济有何影响。除理研外,筑波大学、东京工业大学、兵库县立大学、琉球大学和早稻田大学等众多大学、研究机构及企业也参加了这项研究。例如,预测特定地区根据活动自肃要求在一定时期内停止经济活动对每天的GDP(国内生产总值)的影响时,得出的结果是,如果活动自肃持续2个月,GDP最大将降低7.8个百分点。

富岳在计算速度的全球排行榜“TOP500”中高居榜首,继上一代京以来,日本的超算时隔8年半重新夺回首位宝座。富岳的计算速度为每秒41京5530兆次,连接了15万个相当于心脏部分的中央处理器(CPU),凭借这种设计成功实现了遥遥领先的速度。性能比第二位高出约2.8倍。

除计算速度排名外,富岳在考察企业等实际使用应用程序时的性能排名、比较大数据处理能力的排名,以及评估人工智能(AI)使用的计算能力的排名中也高居榜首,全球首次一举摘得四项排名桂冠。在此次的消息中,人们容易关注到富岳出色的计算速度,但其在可应用于各个领域的其他三项排名中也高居榜首具有极其重要的意义。

理研计算科学研究中心的松冈主任在6月23日举行的线上记者发布会上表示:“富岳虽然在排名中遥遥领先,但还没有发挥100%的功能。今后将积极用于解决国民高度关注的各种社会问题和世界问题”。

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6月23日在线举行记者发布会的理研计算科学研究中心松冈聪主任

松冈4月份就表示“要为尽快结束疫情做贡献”,感觉已经准备好正面挑战摆在全球科学家和研究人员面前的沉重命题——“科学和科技能为克服新冠病毒传染病做什么”。此外,身为利用大量国家经费研发的超算项目负责人,从中还可以看到他的责任感和对成果的自豪感。让我们拭目以待吧。

日语发布原文

日文:内城喜贵,JST Science Portal编辑部
中文:JST客观日本编辑部

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