Pillenforschung via Grid-Computing

9. September 2005
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Erstmals konnten Wissenschaftler in einem international angelegten Experiment zeigen, dass Grid Computing die Entwicklung neuer Wirkstoffe im Kampf gegen Krankheiten drastisch beschleunigt: Die Pharmaindustrie hat das Potenzial des Grid-Computing entdeckt.

Die Zahlen lesen sich gewaltig, die Ergebnisse gelten als Durchbruch in der Pharmaforschung: In nur 40 Tagen berechneten 1.000 Computer in 15 Ländern simultan 46 Millionen Wirkstoffkombinationen. Aus den Ergebnissen können Pharma-Forscher jetzt wertvolle Hinweise für ein Medikament gegen Malaria gewinnen. Gemeinsam mit französischen Kollegen am Laboratoire de Physique Corpusculaire (IN2P3) in Clermont- Ferrand entwickelten Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut SCAI eine Anwendung für das virtuelle Screening nach neuen Wirkstoffen, die auf der Infrastruktur des sogenannten EGEE-Grids lauffähig ist. Das aus 1000 global vernetzten Computer-Gitter (Grid) schafft das, was einzelne Rechenboliden nicht vermögen – Simulationen in Rekordzeit. Das eigens dazu entwickelte Softwareprogramm FlexX untersucht dabei die Bindungseigenschaften von Liganden an ihre Zielproteine und ermittelt auf diese Weise die aussichtsreiche Kombinationen für die Wirkstoffforschung in der Pharma-Industrie. Im konkreten Fall hatten die zum Grid zusammengeschalteten Computer die Bindungseigenschaften von etwa einer Million virtueller Liganden an fünf potenzielle Zielproteine in wiederum fünf verschiedenen Varianten zu berechnen. Ein einzelner PC hätte dazu 80 Jahre benötigt, das Grid brauchte gerade einmal 40 Tage. Am Ende könnte, so die Hoffnung der Wissenschaftler, „ein neues Medikament im Kampf gegen Malaria stehen“.

Pharmariesen entdecken die Macht des Grids

Grundlagenforschung? Utopie? Keinesfalls, wie das Beispiel des Schweizer Pharmagiganten Novartis belegt. Grid-Computing hat, nahezu unbemerkt von der Öffentlichkeit, seinen Siegeszug in der Pharmaforschung angetreten. Denn die geballte Kraft der zum Hochleistungs-Netz vergitterten Maschinen ist gigantisch. Fünf Trillionen Rechenoperationen pro Sekunde durchlaufen die 2700 weltweit vernetzten Arbeitsplatz-Computer bei Novartis auf der Suche nach neuen Wirkstoffmolekülen. Möglich wird die bis dato ungeahnte Forschungsschlagkraft durch das eigene Computing-Grid-System des Unternehmens. Hinter diesem Schlagwort verbirgt sich eine für die Pharmaindustrie vielversprechende Technologie. Um Arzneimittelforschung zu beschleunigen, bündelt das jeweilige Unternehmen die Rechenleistung seiner Desktop-PC zu einem sogenannten Computing-Grid: Sämtliche Prozessoren aller Arbeitsplatz-PC arbeiten zusammen und bilden einen überaus leistungsstarken, aus vielen Tausenden Mikroprozessoren bestehenden Supercomputer. Das heutige Novartis-System bringt es beispielsweise auf Platz 15 der schnellsten Supercomputer der Welt – ohne eigentlich eine einzelne Maschine zu sein. Doch immerhin: die Leistung des Novartis-Grids entspricht der Rechenkraft jenes Supercomputers, den die französische Atomenergiebehörde einsetzt. Was ein Computing-Grid in der Pharmabranche zu leisten vermag, erfuhren Fachleute erstmals im Juni 2003. Damals publizierte das Fachblatt „Journal of Medicinal Chemistry“, wie Arzneimittelforscher von Novartis in ungeahnt schneller Zeit sämtliche Wirkstoffbibliotheken des Unternehmens durchforsteten und am Ende ein neues Zielmolekül für die Krebsmittelentwicklung entdeckten. Der sogenannte CK2-Inhibitor gilt seitdem als Meilenstein der internen Firmenforschung, weil er dank des Grids in nur knapp einem Jahr gefunden wurde. Verglichen mit sonstigen Forschungsdauern von mehreren Jahren bishin zu einem Jahrzehnt eine beachtliche Leistung. Tatsächlich eröffnen die Mega-Computernetze vollkommen neue Perspektiven. Ob Asthma oder Aids, Krebs oder Parkinson – Grid-Computing dürfte in Zukunft bei der Entwicklung der meisten Präparate dabei sein.

Computergestützte Wirkstoffforschung – ein alter Traum

Die Anforderungen an ein Grid sind hoch. Denn die Systeme müssen simulieren, was die Natur Arzneimittelforschern in den Weg stellt. Der Magen beispielsweise verdaut solche Wirksubstanzen, die aus Eiweißverbindungen oder eiweißartigen Wirksubstanzen bestehen. Das ist auch der Grund, warum sie nicht als Tablette eingenommen werden. In solchen Fällen suchen Computer-Grids nach ähnlichen Substanzen, die zwar ebenso agieren, nicht aber verdaut werden. Haben sie sie gefunden, konstruieren sie einen virtuellen Wirkstoff. Die allein hierfür benötigte Rechenleistung ist enorm: Mindestens 500 Millionen Operationen pro Sekunde müssen die Rechner bewältigen und dafür rund um die Uhr mindestens zwei Wochen lang laufen. Um die zwanzig Pharmaunternehmen – darunter Bayer, Merck, Boehringer Ingelheim und Novartis – nutzten bislang die Macht der Grids. Dank ihrer enormen Rechenleistung könnten Computing-Grids nämlich die Kosten in der Wirkstoffforschung erheblich senken helfen. Reale Entwicklungskosten von weit unter 100 Mio. US-Dollar pro Arznei rückten damit in greifbare Nähe. Die Großen der Branche haben die Zeichen der Zeit bereits erkannt: Innerhalb weniger Jahre will Novartis über 27.000 Computer zum absoluten Super-Grid zusammenschalten. 50 Trillionen Rechenoperationen pro Sekunde wären dann möglich. Es wäre im Erfolgsfall eine Sensation: Denn diese Leistung erbringt derzeit nur der weltweit schnellste Supercomputer am Earth Simulator Center im japanischen Yokohama.

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