[OCI]Oracle Cloud Infrastructure ハイパフォーマンス・コンピューティングによる創薬の加速化 (2020/10/01)

Oracle Cloud Infrastructure ハイパフォーマンス・コンピューティングによる創薬の加速化 (2020/10/01)

https://blogs.oracle.com/oracle-for-research/accelerated-drug-discovery-with-oracle-cloud-infrastructure-high-performance-computing-v2
投稿者： Yogi Pandey, Leandro Oliveira Bortot, and Paulo S. L. de Oliveira (Brazilian Biosciences National Laboratory, and Brazilian Center for Research in Energy and Materials (LNBio/CNPEM))

これはシンジケートされた記事です。元の記事はこちら。

人類は過去数ヶ月間、前例のない危機を目の当たりにしてきました。
COVID-19パンデミックの出現により、世界中のライフ・サイエンス研究者がこの病気の治療法を見つけるためにたゆまぬ努力を続けています。
Oracle Cloud Infrastructureのハイパフォーマンス・コンピューティング（HPC）は、
研究者が最先端のハードウェアにアクセスできるようにすることで、その役割を果たしています。

Oracle Cloud Infrastructure（OCI）上のスケーラブルなHPCインフラストラクチャは、創薬プロセスを大幅にスピードアップします。
OCIは、ブラジル生物科学国立研究所（LNBio）など、COVID-19の治療法を見つけるための世界中の研究者をサポートしてきました。
LNBioの研究者は、Oracle for Researchという、世界に意義ある変化をもたらすプロジェクトにOracle Cloudのクレジットと関連リソースを提供する新しいプログラムを通じて、
COVID-19との闘いを前進させてきました。

治療のためのレース


このような状況を考えると、研究者はCOVID-19ワクチンと治療法を見つけるために競争をしていることになります。
プロジェクトの開始から薬事承認までの創薬ライフサイクルは12年以上かかる。
また、ヒトに安全に使用できるように承認された実験薬分子は、5,000個のうち1個しかありません。
COVID-19では、研究者にとって時間は贅沢なものです。

この事実を念頭に置き、LNBioの研究者たちは薬物の再利用アプローチを試みている。
このアプローチでは、別の病気の治療のために規制機関によって事前に承認された薬が、新たに出現した病気の治療のためにテストされる。
このアプローチは、より多くの人々に治療法が利用可能になるまでの時間を大幅に短縮できる可能性がある。

LNBioとブラジル科学技術革新省の一部であるブラジルエネルギー・材料研究センター（CNPEM）の研究者チームは、薬物分子の同定に取り組んでいる。
ウイルスタンパク質に付着し、ウイルスが体内で感染を引き起こしたり、増殖したりするのを阻止します（図1）。
このプロセスは、患者の体内のウイルス粒子の数を減らすことで免疫システムが感染と戦うのを助けるため、COVID-19からの回復を助けることができる。


図1：ブラジルバイオサイエンス国立研究所（LNBio）とブラジルエネルギー・材料研究センター（CNPEM ブラジルバイオサイエンス国立研究所（LNBio）と
ブラジルエネルギー・材料研究センター（CNPEM）の研究者は、活性部位（左から）ヌクレオカプシド、3CL-プロテアーゼ、PL-プロテアーゼを標的としています。
これらの活性部位をブロックする薬剤分子は、ウイルスの感染や体内での増殖を阻止する。提供：LNBio

薬剤の再利用のプロセス


LNBioの研究者は、DrugBankデータベースに登録されている2,097個の承認済みの薬剤分子からスタートしました。
この2,097分子のコンフォメーションがウイルス上の標的部位に結合した419,400個のコンフォメーションを分子ドッキングアルゴリズムによって生成し、仮想スクリーニングのプロセスを行いました。
簡単に説明すると、このアルゴリズムは、分子の原子直交座標を取り、回転可能な結合で形成されたすべてのベクトルにランダムな回転を適用し、
元の分子に対して可能性のある数千のコンフォメーションを生成します。
各コンフォメーションは、ウイルスタンパク質の活性部位における「分子ポーズ」を生成するために回転され、翻訳される。各ポーズについて経験的なスコア関数が計算されます。

このプロセスは、各ターゲットに対して何百万回も繰り返されます。
カスタマイズされたランキングアルゴリズムにより、最適な200のポーズに絞り込まれます。
最後に、仮想スクリーニングによって生成されたこれら200のポーズを用いて、分子シミュレーションを行うことで、
ウイルスの増殖を止める可能性のある3つの薬物分子を特定することができます（図2）。
この問題を解決するには計算量が多く、スケーラブルで堅牢なインフラストラクチャが必要ですが、
これは研究機関が迅速かつコスト効率よくアクセスすることが難しい場合が多いです。

図2. 薬物のリポジショニングプロセス。分子構造は模式的なものであり、実際の研究成果を反映したものではありません。


安全性・性能・経済性


Oracle Cloud Infrastructureは、大企業のセキュリティ要件とパフォーマンス要件を考慮して構築されています。
超低レイテンシのリモート・ダイレクト・メモリ・アクセス（RDMA）と約1.5μsのレイテンシのクラスタ・ネットワーキングでネットワーク化された
OCIベアメタルHPCコンピュート・インスタンスは、CPUベースの大規模な分子シミュレーションに理想的なソリューションを提供します。
ベンチマーク調査では、OCI HPCがパブリッククラウドでCPUベースの分子シミュレーションに最高のパフォーマンスを提供することが示されています。
同時に、GPUベースのアルゴリズムも、NVLinkインターコネクトを搭載したOracle Cloud InfrastructureのNVIDIA Tesla V100 GPUシェイプ上で効率的に動作し、GPU間の高速通信を実現しています。

Journal of the American Medical Association (JAMA) に掲載された研究によると、
バイオ製薬企業は、2009 年から 2018 年の間に、新薬の開発と研究に 9 億 8,500 万ドルを費やしたと推定されています。
OCI HPC を通じて、製薬研究開発企業は、性能を向上させることで新薬の市場投入までの期間を短縮し、莫大なコスト削減を実現することができます。

Oracle Cloud Infrastructure上でのスケーラビリティによるディスカバリーの高速化

Oracle Cloud Infrastructure HPC上のGPUとCPUリソースが提供するスケーラビリティを活用することで、研究者たちは仮想スクリーニングの時間を6分の1に短縮しようとしています。
「初期のいくつかのテストでは、仮想スクリーニングのワークフローを完了するまでの時間を半分に短縮することができました。
現在、Oracle Cloud Infrastructureが提供するスケーラビリティと柔軟性を利用することで、仮想スクリーニングの時間を6倍に短縮できると考えています」
と、LNBioとCNPEMのポスドク研究員であるLeandro Oliveira Bortot氏は述べています。
「Oracle Cloud Infrastructure上でNVIDIA A100 GPUを利用できることは、最新のハードウェアにオンデマンドでアクセスできる最も簡単な方法なので、楽しみにしています」
と、同氏は付け加えています。

Oracle Cloud Infrastructureは、LNBioの研究チームや他の製薬研究との連携を継続しています
開発企業に、創薬プロセスを加速させるための技術を提供することを目的としています。


図2. 薬物のリポジショニングプロセス。分子構造は模式的なものであり、実際の研究成果を反映したものではありません。


安全性・性能・経済性


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同時に、GPUベースのアルゴリズムも、NVLinkインターコネクトを搭載したOracle Cloud InfrastructureのNVIDIA Tesla V100 GPUシェイプ上で効率的に動作し、GPU間の高速通信を実現しています。

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バイオ製薬企業は、2009 年から 2018 年の間に、新薬の開発と研究に 9 億 8,500 万ドルを費やしたと推定されています。
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現在、Oracle Cloud Infrastructureが提供するスケーラビリティと柔軟性を利用することで、仮想スクリーニングの時間を6倍に短縮できると考えています」
と、LNBioとCNPEMのポスドク研究員であるLeandro Oliveira Bortot氏は述べています。
「Oracle Cloud Infrastructure上でNVIDIA A100 GPUを利用できることは、最新のハードウェアにオンデマンドでアクセスできる最も簡単な方法なので、楽しみにしています」
と、同氏は付け加えています。

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