Czy superkomputer rozwiązał zagadkę COVID-19? Być może. Naukowcy mówią o możliwym przełomie w odkryciu tego, w jaki sposób koronawirus wywołuje chorobę
Badania genetyczne pacjentów z COVID-19, wykonane z udziałem superkomputera Summit o potężnej mocy obliczeniowej wskazały nowe potencjalne terapie leczenia jego najgorszych objawów. Odkryły wzorzec aktywności genów w zainfekowanych płucach pacjentów. Porównując go z aktywnością genów u zdrowych ludzi ujawniły mechanizm, który wydaje się być kluczową bronią w walce z koronawirusem. Chodzi m.in. o nadprodukcję bradykininy i kwasu hialuronowego.
Badania prowadzi zespół naukowców, na czele których stoi Daniel Jacobson, główny naukowiec ds. biologii systemów obliczeniowych w Oak Ridge National Labs (ORNL) w stanie Tennessee, gdzie na powierzchni zbliżonej do dwóch kortów tenisowych pracują procesory Summita.
To obecnie, po japońskim Fugaku, drugi na świecie superkomputer, milion razy bardziej wydajny niż laptop z najwyższej półki. W obliczeniach i modelowaniu wsparł go mniejszy komputer ORNL – Rhea (w Laboratoriach w Tennessee działają oprócz nich jeszcze dwie supermaszyny – Eos iWombat).
Komputery przeanalizowały około 17 tysięcy próbek genetycznych, porównując każdą z około 40 tysiącami genów. Łącznie przeprowadziły około 2,5 miliarda obliczeń korelacji w tym zbiorze danych. Zajęło to duetowi Summit i Rhea tydzień, a nie miesiące czy lata, jak byłoby w przypadku klastra obliczeniowego czy standardowego komputera.
Wykryty mechanizm koncentruje się wokół związku zwanego bradykininą. To peptyd wytwarzany przez organizm, obecny w osoczu krwi i tkankach, rozszerzający naczynia krwionośne i zwiększający przepuszczalność naczyń włosowatych. Zdrowy organizm wytwarza niewielkie ilości bradykininy, aby rozszerzyć naczynia krwionośne i zwiększyć ich przepuszczalność, co zazwyczaj obniża ciśnienie krwi.
Komputery przeanalizowały około 17 tysięcy próbek genetycznych, porównując każdą z około 40 tysiącami genów. Łącznie przeprowadziły około 2,5 miliarda obliczeń
Co odkryto w ORNL? To, że w próbkach płynu z płuc zarażonych pacjentów było za dużo genów odpowiedzialnych za wytwarzanie bradykininy, a niedostatecznie reprezentowane są geny hamujące lub rozkładające ten peptyd. Może to mieć śmiertelne konsekwencje: ekstremalne poziomy bradykininy w różnych narządach mogą prowadzić do kaszlu, bólu mięśni, zmęczenia, nudności, wymiotów, biegunki, braku apetytu, bólów głowy, osłabienia funkcji poznawczych, arytmii i nagłej śmierci sercowej. To objawy, obserwowane u zarażonych nowym koronawirusem.
Najgorszy z nich to zalewanie płuc płynem, w wyniku czego pacjenci walczą o każdy oddech, a do śmierci dochodzi przez uduszenie. Ponieważ bradykinina zwiększa przepuszczalność naczyń krwionośnych, tkanka płucna zostaje zalana gęstym płynem, jednocześnie pozbawiając krew komórek odpornościowych, które trafiają wraz z płynem do płuc. To także stanowi zagrożenie, m.in. niekontrolowaną reakcją odpornościową na obecność w tym miejscu typowo krwiopochodnych komórek.
Co więcej, badanie wykazało, że u zarażonych COVID-19 nieprawidłowo działają geny odpowiadające za produkcję kwasu hialuronowego, który wiąże wodę, dlatego substancja wypełniająca płuca jest gęsta. Nadprodukcja kwasu doprowadza do ich zalewania galaretowatym żelem, co wywołuje reakcje zapalne. Wykryto też, że pacjenci chorzy na COVID-19 mają obniżony poziom witaminy D.
Zespół naukowców twierdzi, że badanie sprawiło, iż COVID-19 stał się nieco mniej tajemniczy. „To już nie jest taka czarna skrzynka. Uważamy, że mamy dobre wskazówki dotyczące mechanizmów” – stwierdził Jacobson w artykule IEEE Spectrum.
Badacze z pomocą superkomputerów opracowali dziesięć potencjalnych terapii dla objawów, które mogą rozwiązać problem nadprodukcji bradykininy. Polegają na stosowaniu związków, które obniżają poziom tego peptydu. Zespół chce teraz przetestować je w badaniach klinicznych.