עוד בשנת 2009, כאשר מגיפת H1N1 שטפה את העולם - היא תותיר כ-17,000 אנשים מתים על ידי תחילת 2010, עם מקרים מאושרים ביותר מ-200 מדינות - גלי חרדה בעקבותיו לְהִתְעוֹרֵר. עבור רובם, זה היה פחד ממחלה שנראתה באותה תקופה חסרת הבחנה, בלתי ניתנת לעצירה וחשוכת מרפא. עבור הווירולוגים ומפתחי התרופות שניסו להילחם בנגיף, זה נבע מהעובדה ש-H1N1 היה כל כך מובן. זן חדש זה של שפעת A היה היברידי ששאל אלמנטים גנטיים מקומץ שפעת וירוסים, וחוקרים לא היו רק בלי כלים - הם אפילו לא ידעו בוודאות אילו כלים עשויים תהיה שימושי.
הרץ קדימה עד סוף השבוע שעבר כאשר צוות חוקרים במכון להנדסת תהליכים של האקדמיה הסינית למדעים (CAS-IPE) יצרה את המודל החישובי הראשון של וירוס H1N1 ב- רמה אטומית. באמצעות סימולציות מולקולריות-דינמיקה, מחשב העל Mole-8.5 של CAS-IPE ו-2,200 מעבדים גרפיים, חוקרים שם בנה מודל מולקולרי של הנגיף, המהווה את כל האטום האחרון בנגיף H1N1 (ויריון הוא וירוס יחיד חֶלְקִיק).
"למעשה יצרנו 'חיית מחמד אלקטרונית' במחשב, שאנו יכולים להתנסות איתה בסביבות ובתנאים רבים ושונים עם מגוון תרופות, ואנחנו יכולים לדעת כל פרט של השינוי בוויריון", אומר ד"ר Wei Ge, פרופסור להנדסה כימית ב-CAS-IPE ומנהל במאמץ הדוגמנות H1N1, אמר ל-PopSci באמצעות אימייל. "לכן, אנו מאמינים שזה יכול לספק דרך אפשרית לגשר על וירולוגיה, אפידמיולוגיה ועיצוב תרופות ברמה המולקולרית."
המודל הוא הראשון מסוגו עבור H1N1, ומסמן דרך חדשה ממוקדת מחשבי-על להתמודדות עם בעיות האפידמיולוגיה והווירולוגיה שלא הייתה אפשרית רק לפני כמה שנים. בדרך כלל כשפורץ באג מטריד במיוחד, מדענים פנו למקום שתמיד פנו אליו: המעבדה. אבל ללמוד דברים כמו וירוסים וחיידקים במעבדה זה עסק מסובך. תגובות מתרחשות לעתים קרובות מהר מאוד - לעתים קרובות בקנה מידה של ננו-שניות - והן יכולות להיות עדינות עד כדי כך שלתבוננות בהן פירושו לשנות אותן, מה שעלול להניב תוצאות שגויות.
יש גם נתק בין הדרך שבה מדעני מחקר חוקרים וירוסים לבין האופן שבו מפתחי תרופות מבצעים מחקר ופיתוח, אומר Ge. מדענים נוטים להסתכל על מחזור החיים של הנגיף - איך הוא גדל ומתפשט - מבלי לדעת הרבה על השינויים המבניים המתרחשים ברמה המולקולרית. מפתחי תרופות, לעומת זאת, בוחנים את המבנה המולקולרי הזה. הם רוצים מטרות, כמו חלבונים שנעים על פני ממברנות (ובכך מספקים דרך לתוך הבאג), שהם יכולים להשתמש בהם כדי לתקוף את הנגיף.
אף צד לא בהכרח מודיע לשני. אבל עם דגם מחשב כמו זה שפותח ב-CAS-IPE, הכל עטוף בתמונה דיגיטלית מסודרת של באג קטן ומגעיל. לאחר מכן, החוקרים יכולים לדמות מה קורה כשהם זורקים טיפולים פוטנציאליים שונים על הנגיף, ולבדוק את יעילותם מבלי לדרוך במעבדה.
"אפשרות מרגשת מתנשאת כאשר אנו רואים את שני היבטי המחקר הללו משולבים", אומר Ge. "ניתן לזהות יעדי טיפול פוטנציאליים. אלה שממלאים תפקידי מפתח במחזור החיים של הנגיף יכולים להיות מטרות אפשריות. להיפך, תרופות יעילות צריכות להיקשר ביעילות למטרות ובכך לגרום למחזור חיים שונה של הנגיף".
זה בדיוק מה ש-CAS-IPE מקווה להראות עם דגם ה-H1N1 שלה. נכון לעכשיו, הסימולציה פועלת במהירות של 0.77 ננו-שניות ליום. זה אולי נראה איטי במיוחד, אבל בהתחשב במהירויות התגובות הגבוהות במיוחד בקנה מידה ננו, זה למעשה מספק לחוקרים תצוגה חסרת תקדים ברזולוציה גבוהה של תהליכים ויראליים. אם חוקרים היו רוצים לדמות את הנגיף במשך מאות ננו-שניות, למשל, זה עלול לקחת כמה שבועות או חודשים להפעיל את ה-SIM בקנה מידה ובמהירות כאלה, אומר Ge. אבל על ידי אופטימיזציה של האלגוריתמים שלהם הם אמורים להיות מסוגלים לגרום למודל שלהם לרוץ מהר יותר.
ועם יותר כוח עיבוד - כמו זה שמציעים כמה ממחשבי העל הגדולים בעולם - סימולציות יכולות לפעול במהירויות גבוהות עוד יותר. זה מצביע על יום שבו זני וירוסים חדשים, לאחר שהתגלו, יוכלו להיות מאופיינים במהירות, לעצב ולבחון טיפולים פוטנציאליים בקצב מהיר הרבה יותר ממה שהיו אי פעם בעבר. כל זה יכול לקרות מבלי להצמיח באג שעלול להיות קטלני במעבדה ואז לעבור תהליך קפדני, ארוך ויקר של בדיקת טיפולים פוטנציאליים שונים כדי לראות מה עובד. זה יכול לקצץ באופן משמעותי את ציר הזמן בין גילוי של פתוגן קטלני לבין מציאת טיפול או חיסון, אשר בתורו יכול להציל אינספור חיים.
"ברגע שהוויריון נבנה, ניתן להשתמש בו בתנאים שונים ולדמות אותו לכל אורך זמן", אומר Ge. "סימולציות כאלה נותנות לנו מיקרו-עולם וירטואלי שניתן לתמרן ולנתח אותו כרצונו. סימולציות כאלה עשויות בסופו של דבר להיות מחליף משחק עבור המדע והטכנולוגיה של אפידמיולוגיה, וירולוגיה וגילוי תרופות".
