Exscalate4Cov esegue in Italia l’esperimento di supercalcolo più complesso mai realizzato al mondo per identificare nuove terapie contro il virus Sars Cov2. In campo, sotto il coordinamento di Dompé, la biblioteca molecolare Exscalate, i supercomputer HPC5 di Eni e Marconi100 di Cineca (81 petaflop di capacità di calcolo) su cui gireranno il software di screening virtuale realizzato e ottimizzato dal Politecnico di Milano e Cineca, e gli Advanced Analytics e le tecniche di Intelligenza Artificiale di SAS.

TAKEAWAY

•  Exscalate4Cov esegue in Italia l’esperimento di supercalcolo più complesso mai realizzato al mondo per identificare nuove terapie contro il virus Sars Cov2 
• In campo, sotto il coordinamento di Dompé, la biblioteca molecolare Exscalate, i supercomputer HPC5 di Eni e Marconi100 di Cineca (81 petaflop di capacità di calcolo) su cui gireranno il software di screening virtuale realizzato e ottimizzato dal Politecnico di Milano e Cineca, e gli analytics di SAS 
• Il Comitato scientifico del progetto è presieduto dal premio Nobel per la chimica computazionale Prof. Arieh Warshel 
• Obiettivo: testare 70 miliardi di molecole su 15 “siti attivi” del virus attraverso l’elaborazione di mille miliardi di interazioni in sole 60 ore (5 milioni di molecole simulate al secondo) 
• Sul portale di open science mediate.exscalate4Cov.eu tutti i risultati della simulazione saranno condivisi con la comunità scientifica. Si tratta del più completo patrimonio scientifico di conoscenze sul virus Sars Cov 2 disponibile a livello globale 

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Questo fine settimana il Consorzio pubblico-privato Exscalate4Cov (E4C) supportato dalla Commissione Europea, realizzerà un complesso esperimento di supercalcolo, mai realizzato prima, con un obiettivo sfidante: simulare il comportamento del virus Sars Cov 2 per individuare le modalità terapeutiche migliori per neutralizzarlo. Il Comitato scientifico del progetto è presieduto dal premio Nobel per la chimica computazionale Prof. Arieh Warshel.

Ma procediamo con ordine.

Cos’è Exscalate4Cov

Exscalate4Cov è un progetto europeo avviato da Dompé Farmaceutici che, in collaborazione con Cineca e Politecnico di Milano, ha sviluppato e potenziato una piattaforma tecnologica per la progettazione di farmaci (nel caso specifico per combattere la Covid-19) sfruttando la capacità elaborativa dei supercomputer e le tecnologie di analisi avanzata di SAS.

Si presenta come un consorzio pubblico-privato a trazione italiana (aggrega 18 istituzioni e centri di ricerca in 7 Paesi europei) ed ha come fulcro tecnologico Exscalate (EXaSCale smArt pLatform Against paThogEns), il sistema di supercalcolo – High Performance Computing, Structure-Based Drug Design System – più performante a livello globale, grazie ad una “biblioteca chimica” che racchiude 500 miliardi di molecole, in grado di valutare di più di 3 milioni di molecole al secondo.

Il progetto nasce con l’intento di sfruttare le potenzialità di supercalcolo, integrate con le migliori competenze scientifiche in ambito life-science presenti in Europa, per fronteggiare al meglio e in tempi rapidi situazioni di pandemia di interesse sovranazionale.

La simulazione di supercalcolo più complessa al mondo (5 milioni di molecole simulate al secondo)

Questo fine settimana (21-22 novembre 2020) il Consorzio Exscalate4Cov supportato dalla Commissione Europea, realizzerà la simulazione di supercalcolo più complessa mai realizzata al mondo.

In campo, sotto il coordinamento di Dompé, la super biblioteca chimica Exscalate (che, come accennato, racchiude 500 miliardi di molecole), i supercomputer HPC5 di Eni e Marconi100 di Cineca (81 petaflop di capacità di calcolo) su cui gireranno il software di screening virtuale realizzato e ottimizzato dal Politecnico di Milano e Cineca, e gli Advanced Analytics di SAS.

Saranno simulate più’ di 70 miliardi di molecole sui 15 siti attivi di interazione del virus per un totale di più’ di mille miliardi di interazioni valutate in sole 60 ore, ossia 5 milioni di molecole simulate al secondo, una simulazione 300 volte più’ grande e 500 volte più veloce di quella realizzata negli stati USA a giugno di quest’anno [rif: https://blogs.nvidia.com/blog/2020/05/26/covid-autodock-summit-ornl/].

L’analisi e la condivisione dei dati per una open science

I dati ricavati dalla simulazione saranno elaborati con la piattaforma SAS Viya utilizzando tecniche di Intelligenza Artificiale e Advanced Analytics. I risultati saranno disponibili in tempo reale sul portale 1trilliondock.exscalate4cov.eu e successivamente sul portale mediate.exscalate4cov.eu.

MEDIATE – MolEcular DockIng AT home – è un portale di open science – progettato sempre in collaborazione con SAS – per consentire agli scienziati di tutto il mondo di poter accedere ai dati ed effettuare simulazioni in proprio, beneficiando delle conoscenze “stato dell’arte” e delle tecnologie messe a disposizione dell’intera comunità scientifica, contribuendo così ad alimentare il più completo patrimonio scientifico di conoscenze sul virus Sars Cov 2 disponibile a livello globale.

I gruppi di ricerca di tutto il mondo possono già oggi utilizzare i modelli delle proteine del virus e le librerie chimiche disponibili sul portale per generare nuove predizioni utilizzando diverse tecniche di Intelligenza Artificiale e di simulazioni di meccanica molecolare.

Il Consorzio Exscalate4Cov metterà a disposizione 10 milioni di ore di calcolo dedicati e l’infrastruttura tecnologica necessaria. MEDIATE darà libero accesso alla più ampia base di dati oggi a disposizione sul Virus Sars-CoV-2 sia dal punto di vista strutturale (strutture tridimensionali) sia funzionale (proteine che interagiscono con le cellule umane), comprensiva di tutta la dinamica molecolare che interviene nell’interazione cellulare e i siti attivi per il potenziale ingresso di farmaci.

La libreria contiene 10 mila farmaci, 400 mila prodotti naturali, 70 mila nutraceutici, 100 milioni di oligopeptidi, 5 milioni di molecole già in commercio a fini di ricerca, e 72 miliardi di molecole de novo facilmente sintetizzabili.

Il portale MEDIATE collezionerà le predizioni fatte dai gruppi di ricerca di tutto il mondo (crowdsourcing) e le combinerà in un unico modello sfruttando le reti neurali e l’intelligenza artificiale messe a disposizione da SAS con lo scopo di identificare nuovi e più efficaci trattamenti contro COVID-19, nel più breve tempo possibile.

Il piano di Exscalate4CoV (E4C)

Per completezza, riportiamo qui il piano dettagliato di Exscalate4CoV (E4C) – finanziato con 3 milioni di euro della Commissione Europea attraverso il bando Europeo all’interno del progetto Horizon 2020 dedicato all’emergenza coronavirus.

Il piano è così articolato:

• Stabilire uno standard scientifico sostenibile per dare risposte veloci a qualsiasi scenario di pandemia. Il modello si basa sull’utilizzo di una piattaforma di supercalcolo integrata con i sistemi intelligenza artificiale, modellistica 3D supportata dalla diffrattometria a raggi X per la identificazione dei migliori candidati alla clinica e successiva validazione sperimentazione in laboratorio su modelli cellulari predittivi (virus, batterio, etc.);

• Identificare virtualmente e in modo rapido i farmaci disponibili, o in fase avanzata di sviluppo, potenzialmente efficaci;

• Definire un modello di screening per validare le molecole potenzialmente efficaci e gli eventuali meccanismi di azione e di mutazione del patogeno;

• Strutturare insieme ad EMA – European Medicine Agency – un modello di sperimentazione efficace sulla molecola individuata per velocizzarne i tempi per l’impiego terapeutico;

• Identificare i geni coinvolti nello sviluppo della patologia.

I centri di supercalcolo Eni, CINECA (Italia), BSC (Spagna) e Jülich (Germania) stanno eseguendo le simulazioni di dinamica molecolare delle proteine virali e lo screening virtuale ultraveloce della libreria E4C. L’Università di Milano e il Politecnico di Milano sono impegnate rispettivamente a supporto dell’attività di screening virtuale e per l’accelerazione del processo computazionale.

I risultati dello screening virtuale culmineranno nella selezione di composti attivi da testare in fase screening fenotipico presso l’infrastruttura di ricerca Katholieke Universiteit Leuven attraverso una piattaforma ad alta capacità di screening (High Throughput Screening) multiparametrica su agenti patogeni vivi a rischio di biosicurezza elevato (livello 3) o sconosciuto.

Il Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology (IME) integrerà lo screening fenotipico con il saggio biochimico sui target dei diversi virus putativi, attraverso l’accesso alla BROAD Repurposing Library di Fraunhofer.

L’Università di Cagliari completerà la valutazione biologica definendo il meccanismo d’azione degli inibitori e la selezione dei mutanti nei sistemi. Questa informazione sarà cruciale per definire le barriere genetiche dei potenziali farmaci e per selezionare molecole più promettenti da sviluppare.

L’Associazione Italiana Cristallografia e l’Istituto Internazionale di Biologia Molecolare e Cellulare produrranno le strutture a raggi X per i più interessanti enzimi virali e relativi inibitori al fine di supportare la progettazione razionale delle nuove strutture chimiche in grado di inibire i virus Corona.

Il team di Chimica Medica dell’Università di Napoli Federico II supporterà il team EXSCALATE nella selezione dei migliori composti, oltre ad occuparsi della sintesi chimica dei migliori candidati.

L’Istituto nazionale per le malattie infettive Lazzaro Spallanzani è il centro di riferimento per gli studi clinici in corso e che verranno attivati dal consorzio.

Tutte le informazioni sul Conosorzio Exscalate4Cov ed il progetto le trovate nel portale Exscalate4Cov