Видеокарты NVIDIA позволили моделировать поведение живой клетки из миллиардов атомов

Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне создали программное обеспечение с GPU-ускорением для моделирования жизненных процессов клетки из 2 млрд атомов. Внутри клетки происходят метаболические процессы — она живёт и развивается как живая. Технология позволяет дать простой ответ на массу вопросов о поведении клетки в тех или иных условиях. И это не данные финальных расчётов — клетка «живёт», а учёные наблюдают.

Источник изображения: NVIDIA

Несмотря на высочайшую сложность и детализацию модели, без упрощений обойтись не удалось. Но даже упрощённая модель имитирует 7000 процессов обработки генетической информации в течение 20-минутного жизненного клеточного цикла. Утверждается, что это самая длинная и сложная симуляция клетки на сегодняшний день. Число генов модели было урезано до 500 штук. Осталось только то минимальное количество генов, которое необходимо для выживания клетки. Для сравнения, кишечная палочка содержит информацию в 5000 генов. Сохранённые гены позволили клетке нормально развиваться во всех смыслах и дойти до стадии репликации.

Физические и химические процессы в цифровой модели воспроизводились на уровне взаимодействия атомов. Можно представить, что в случае достаточных вычислительных ресурсов подобным образом можно запрограммировать жизнь любой сложности, и она даже не будет подозревать, что это настоящая нематериальная жизнь. Когда-нибудь, но очень и очень нескоро, в цифровую форму можно будет перевести любую жизнь. На малой форме это уже доказано.

Модель клетки вырабатывает белки, её компоненты производят энергию, дающую ей жизнь, транскрибирует гены, разбираясь с инструкцией своей жизнедеятельности, и делает многое другое, что положено настоящей живой клетке.

Изучение модели поможет учёным предсказать, как изменение условий или геномов реальных клеток повлияет на их функционирование. Это необходимо для поиска новых лекарств и для изучения течения болезней. Оптимизация пакета Lattice Microbes для запуска на GPU NVIDIA позволила наблюдать за цифровой моделью клетки в реальном масштабе времени. Более того, использование новых ускорителей RTX A5000 повысило производительность пакета на 40 % по сравнению с предыдущими GPU NVIDIA.