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Supercomputer: die Zukunft für die Entwicklung von Medikamenten und Behandlungen?

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Supercomputer: die Zukunft für die Entwicklung von Medikamenten und Behandlungen?
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Wie können biomolekulare Simulationen dabei helfen, Covid-19 und andere Krankheiten zu behandeln? Thema dieser Futuris-Folge.

Was ist eine biomolekulare Simulation? Wie kann dieser Bereich, eine Mischung aus Biologie und Informatik, dazu beitragen, Krankheiten wie Covid-19 besser zu erforschen und neue Behandlungsmethoden zu entwickeln? An diesen Fragen arbeiten europäische Wissenschaftler mithilfe von leistungsstarken Supercomputern.

Wie viele andere Forschungsinstitute in Europa untersucht auch das Institut für Forschung in der Biomedizin (IRB) in Barcelona das SARSCoV-2-Virus, um wirksame Therapien oder Impfstoffe zu entwickeln. Die Molekularbiologen arbeiten an einer Vielzahl offener Fragen, so der Molekularbiologe Modesto Orozco:

„Wie wird sich das Virus unserer Meinung nach weiterentwickeln? Wie groß ist die Ansteckungsgefahr von Tierarten, die dem Menschen nahe sind? Inwieweit wird eine dieser Tierarten zu einem langfristigen Virus-Reservoir? Wie können wir neue Medikamente gegen Covid-19 entwickeln oder deren Entwicklung unterstützen? Wie können wir zur Entwicklung effizienterer Impfstoffe beitragen?"

Komplexe Fragen

Aufgrund des Umfangs und der Komplexität der Fragen arbeiten die Forscher mit dem Supercomputer MareNostrum: Seine 4. Version kann elftausend Billionen Operationen pro Sekunde ausführen. Der Hochleistungsrechner (HPC) wird auch in Bereichen wie Klimawandel oder Gravitationswellen eingesetzt. Jetzt unterstützt er auch die Forschung zu SARS-CoV-2:

"Wir helfen Forschern dabei, ihre Probleme auf einfache Art und Weise zu beschreiben. Sie können alle Ressourcen des Supercomputers nutzen, an mehreren Aufgaben gleichzeitig arbeiten, um schnell eine Antwort zu bekommen", so Rosa M. Badía, Computerwissenschaftlerin am Supercomputer-Zentrum in Barcelona.

In einem Exzellenzzentrum für computergestützte biomolekulare Forschung arbeiten Informatiker, Biologen und Biophysiker Hand in Hand, um der akademischen Welt und der Industrie medizinische Durchbrüche bei Therapien oder Impfstoffen zu ermöglichen. Integrative Modellierung und molekulare Simulationen werden bereits eingesetzt. In Stockholm wird beispielsweise untersucht, welche Rolle Proteine verschiedener Viren bei Infektionskrankheiten spielen.

Eric Lindahl, Professor für Biophysik an der Universität Stockholm: "Ohne Computer wäre unsere Forschung nicht möglich. Mithilfe der Computer sehen wir Dinge, die wir in anderen Experimenten nie sehen könnten. Beispielsweise wie sich Lipide um die Proteine herum verteilen. Das ist keine Struktur, die Lipide bewegen sich die ganze Zeit. Und das können wir mit keiner anderen experimentellen Methode beobachten."

Ein Schlüsselaspekt ist die Entwicklung von Software-Werkzeugen, die weithin genutzt und skaliert werden können, die den Forschern genaue Antworten liefern können - und zwar auf dem schnellsten Weg. Rossen Apostolov, Forscher am Königlichen Institut für Technologie und Bioexcel-Projektkoordinator:

"Wissenschaftliches Rechnen ist ein sehr schwieriges Gebiet. Wissenschaftler müssen komplexe Algorithmen entwerfen, um die Wissenschaft in Begriffen auszudrücken, die Computer berechnen können. Wir müssen also diese komplexen Algorithmen komplex entwerfen, die die Software-Anwendungen so leistungsfähig machen, dass sie zwar leistungsstark, aber sehr komplex sind. Eine große Herausforderung besteht also darin, diese leistungsstarken Algorithmen so zu gestalten, dass die Anwendungen benutzerfreundlich sind".

Sind Supercomputer die Zukunft für die Entwicklung von Medikamenten und Behandlungen?

Eric Lindahl ist davon überzeugt: "Geben Sie dieser Wissenschaft fünf oder zehn Jahre Zeit. Meiner Meinung nach werden in Zukunft Computer die treibende Kraft sein, um neue Medikamente innerhalb von Wochen oder Monaten zu entwickeln. Wir sind noch nicht ganz so weit, noch nicht, aber die Arbeit, die überall in Europa geleistet wird, beschleunigt die Entwicklung."