Ricercatori hanno simulato una cellula vivente in 3D grazie alla potenza delle GPU

Ricercatori hanno simulato una cellula vivente in 3D grazie alla potenza delle GPU

I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno sviluppato un software accelerato dalle GPU per simulare una cellula con 2 miliardi di atomi che metabolizza e cresce come una cellula vivente.

di pubblicata il , alle 10:01 nel canale Scienza e tecnologia
NVIDIA
 

Ogni cellula vivente ha un "microcosmo" composto da migliaia di componenti responsabili della produzione di energia, della costruzione di proteine, della trascrizione genica e altro ancora. Comprendere come tutti i componenti interagiscono e cambiano in risposta a segnali interni ed esterni aiuta a capire meglio i principi fondamentali della vita, per questo è importante la simulazione svolta da un team della University of Illinois a Urbana-Champaign appoggiandosi alle GPU, nel caso specifico quelle di NVIDIA.

Il gruppo di scienziati è riuscito a ricreare una simulazione 3D che replica in scala le caratteristiche fisiche e chimiche di una cellula vivente "minima", sviluppando un modello completamente dinamico che ne imita il comportamento. Lo studio è stato pubblicato sul giornale Cell.

La cellula minima contiene un insieme ridotto di geni essenziali per la sopravvivenza, il funzionamento e la replicazione. Queste cellule sono più semplici di quelle naturali, il che le rende più facili da ricreare digitalmente. "Anche una cellula minima richiede 2 miliardi di atomi", ha affermato Zaida Luthey-Schulten, professore di chimica e condirettore del Center for the Physics of Living Cells dell'niversità. "Non puoi realizzare un modello 3D come questo in una scala temporale umana realistica senza le GPU".

Il modello si basa sull'uso di GPU NVIDIA per simulare 7000 processi di informazioni genetiche in un arco di 20 minuti del ciclo cellulare, il che la rende quella che gli scienziati ritengono sia la simulazione cellulare più lunga e complessa fino ad oggi. Una volta che saranno ulteriormente testati e perfezionati, i modelli di cellule complete potranno aiutare gli scienziati a prevedere come i cambiamenti alle condizioni o ai genomi delle cellule del mondo reale influenzeranno la loro funzione.

Per costruire il modello di cellula vivente, i ricercatori dell'Illinois hanno simulato una delle cellule viventi più semplici, un batterio parassita chiamato micoplasma. Hanno basato il modello su una versione ridotta di una cellula di micoplasma sintetizzata dagli scienziati del J. Craig Venter Institute di La Jolla, in California, che aveva poco meno di 500 geni per mantenerla vitale. Per confronto, una singola cellula di E. coli ha circa 5000 geni. Una cellula umana ne ha più di 20 mila.

Il team di Luthy-Schulten ha quindi utilizzato le proprietà note del funzionamento interno del micoplasma, inclusi aminoacidi, nucleotidi, lipidi e metaboliti di piccole molecole per costruire il modello con DNA, RNA, proteine ​​e membrane. "Avevamo abbastanza reazioni da poter riprodurre tutto ciò che sapevamo", ha detto.


Istantanea della simulazione spaziale 3D di 20 minuti, che mostra ribosomi gialli e viola, degradasomi rossi e blu e sfere più piccole che rappresentano polimeri e proteine ​​​​del DNA.

Tramite il software Lattice Microbes capace di sfruttare i Tensor core delle GPU NVIDIA, i ricercatori hanno eseguito una simulazione 3D di 20 minuti del ciclo di vita della cellula, prima che inizi a espandere o replicare sostanzialmente il suo DNA. Il modello ha mostrato che la cellula ha dedicato la maggior parte della sua energia al trasporto di molecole attraverso la membrana cellulare, aspetto che si adatta al profilo di una cellula parassitaria che ottiene la maggior parte di ciò di cui ha bisogno per sopravvivere da altri organismi.

"Se eseguissi questi calcoli in serie, o a livello di tutti gli atomi, ci vorrebbero anni", ha affermato Zane Thornburg, autore principale dello studio. "Ma poiché sono tutti processi indipendenti, possiamo portare la parallelizzazione nel codice e usare le GPU".

Le simulazioni hanno anche consentito a Thornburg di calcolare la durata naturale della vita degli RNA messaggeri, i modelli genetici per la costruzione delle proteine. Hanno anche rivelato una relazione tra la velocità con cui i lipidi e le proteine ​​della membrana sono stati sintetizzati e i cambiamenti nell'area della superficie della membrana e nel volume cellulare.

"Abbiamo simulato tutte le reazioni chimiche all'interno di una cellula minima, dalla sua nascita fino al momento in cui si divide due ore dopo", ha detto Thornburg. "Da questo, otteniamo un modello che ci dice come si comporta la cellula e come possiamo renderla più complessa per mutarne il comportamento", ha dichiarato il professor Luthey-Schulten.

Thornburg sta lavorando a un altro progetto accelerato da GPU per simulare la crescita e la divisione cellulare in 3D. "Il team ha recentemente adottato i sistemi NVIDIA DGX e le GPU RTX A5000 per accelerare il proprio lavoro", sottolinea NVIDIA, "rilevando che l'utilizzo di GPU A5000 ha migliorato il tempo di simulazione del 40% rispetto a una workstation con una GPU NVIDIA di precedente generazione".

11 Commenti
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giovanni6922 Gennaio 2022, 10:39 #1
Nel paper di Cell è linkato in video di 40''. Riuscite a capire se quella è la simulazione accelerata dei 20' della simulazione... oppure solo uno spezzone?
danylo22 Gennaio 2022, 11:31 #2
Ecco come dobbiamo sfruttare la potenza di elaborazione attuale.
Altro che mining!
boboviz22 Gennaio 2022, 11:44 #3
Originariamente inviato da: danylo
Ecco come dobbiamo sfruttare la potenza di elaborazione attuale.
Altro che mining!


Esatto, possiamo tutti aiutare la scienza con le gpu (e le cpu).
Boinc, Folding@Home, ecc, ecc
Hiei360022 Gennaio 2022, 14:13 #4
Io spero che in un non molto lontano futuro non ci sia più bisogno di fare esperimenti sugli animali perché tutto potrà essere simulato a livello atomico su un computer invece che se un'essere vivente, umano o animale che sia.
Qarboz22 Gennaio 2022, 16:47 #5
Originariamente inviato da: danylo
Ecco come dobbiamo sfruttare la potenza di elaborazione attuale.
Altro che mining!


+1
MikTaeTrioR23 Gennaio 2022, 09:39 #6
https://gridcoin.us/


E se invece aumentasse proprio grazie alle crypto.. ?
Cappej24 Gennaio 2022, 11:51 #7
Originariamente inviato da: MikTaeTrioR
https://gridcoin.us/


E se invece aumentasse proprio grazie alle crypto.. ?


Bello... Sarebbe tanta roba
Non capisco se funziona veramente o se è una bufala per moralizzare le crypto
MikTaeTrioR24 Gennaio 2022, 13:15 #8
Originariamente inviato da: Cappej
Bello... Sarebbe tanta roba
Non capisco se funziona veramente o se è una bufala per moralizzare le crypto


bhe, è attivo dal 2015...quindi qualcuno che mina/contribuisce c'è effettivamente da ormai 7 anni...

certo non è la crypto piu capitalizzata ma chi puo dire in futuro che succederà...

https://coinmarketcap.com/currencies/gridcoin/


e non è la sola con questo concetto, è solo la piu famosa attualmente...


non sarebbe male creare una sorta di automatismo per cui gli eventuali brevetti/scoperte raggiunte grazie al calcolo distribuito generassero automaticamente profitti (oltre a quelli gia generati durante il mining) per i miner che contribuirono nel periodo della scoperta proporzionalmente alla resa economica del prodotto generato tramite quei calcoli.....questo sarebbe un bellissimo futuro.
Bluvetro26 Gennaio 2022, 00:51 #9

🤔 E' più complessa una RTX 3090 Ti, o una cellula?

Cavolo, riuscire a programmare e simulare una cellula virtuale. Ma, chi ha programmato le cellule reali allora? 🤔 Quelle sono delle fabbriche, che si moltiplicano, con laboratori chimici all'interno... per funzionare e alimentarsi, prelevano elettroni dagli atomi. E non sono programmate in codice binario, ovvero da 2 elementi (1 e 0). Ma forse con ben 4 variabili (A, G, C, T), quelle che troviamo nel DNA.
aqua8426 Gennaio 2022, 10:46 #10
Originariamente inviato da: Bluvetro
Cavolo, riuscire a programmare e simulare una cellula virtuale. Ma, chi ha programmato le cellule reali allora? 🤔


qualcuno potrebbe risponderti Dio (e la risposta sarebbe quella per OGNI domanda...)
qualcun altro potrebbe risponderti BOH!!

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