Exscalate, la Natura è scritta in linguaggio matematico

Exscalate

"L’Universo non si può intendere se prima non s’impara a intender la lingua e conoscere i caratteri nei quali è scritto. E’ scritto in lingua matematica, e i caratteri sono triangoli, cerchi e altre figure geometriche, senza i quali mezzi è impossibile a intenderne una parola; senza questi è un aggirarsi vanamente per un oscuro labirinto spiegava quattro secoli fa Galileo Galilei nel suo Saggiatore.

L'intuizione del grande scienziato toscano è attuale ancora oggi. Erano gli anni ’70 quando le biotecnologie uscirono dai laboratori per diventare tecnologie utilizzate ampliamente nella società come terapie o nuovi materiali. Dieci anni più tardi hanno avuto sviluppo le tecnologie digitali a partire dai primi processori. Oggi queste tecnologie sono sempre più unite da un destino comune: l’avanzamento della conoscenza scientifica e tecnologica. Le life science ne rappresentano la frontiera più avanzata. Alla convergenza di questi mondi – la biologia e il digitale – dobbiamo alcune delle scoperte fondamentali degli ultimi anni: il sequenziamento del genoma umano, la scoperta dei meccanismi più sottili del Dna (come il Dna non codificante) e il perfezionamento dei sistemi di interazione fra meccanismi cellulari e molecole alla base di quello che oggi consideriamo medicina di precisione.

Il progetto Exscalate è figlio di questa evoluzione. Nata oltre 10 anni fa, si è via via evoluto fino a diventare quello che è oggi: la piattaforma di supercalcolo pubblico-privata più evoluta sul pianeta grazie alla sua capacità di valutare più di tre milioni di molecole al secondo, attingendo a una “biblioteca chimica” di 500 miliardi di molecole.

“Questo complesso sistema digitale – spiega Andrea Beccari, responsabile di EXSCALATE e della divisione R&D Platforms and Services di Dompé – è la più evoluta rappresentazione di quanto accade in natura nei meccanismi cellulari più fini. Si tratta di miliardi di interazioni che possono essere espressi in algoritmi capaci di prevedere il comportamento che effettivamente avviene nel regno del vivente”

Il sistema Exscalate si è evoluto, ed evolverà ancora, negli anni. La sua evoluzione seguirà sia l’avanzamento delle conoscenze biologiche, a partire dalla caratterizzazione delle molecole e dei meccanismi biologici (fino alla dimensione nanometrica e oltre), sia di quelle tecnologiche quali ad esempio quello dei microprocessori e delle architetture hardware che sempre più sono in grado di supportare software molto articolati che richiedono calcoli evoluti e complessi in un arco di tempo molto limitato (miliardesimi di secondo).

La replicazione (simulazione) dei meccanismi naturali è una delle sfide più complesse a cui si sta dedicando la nostra società, uno sforzo straordinario che cerca di “riscrivere” in caratteri matematici la natura, fin nei suoi meccanismi più sottili. L’obiettivo è quello di poter analizzare passaggio per passaggio quello che avviene, per poi riprodurlo e prevedere (simulare) l’evoluzione dei sistemi naturali e la loro interazione con le sostanze a cui sono sottoposti, dai farmaci a quelle che possono rivelarsi sostanze nocive.

L’aspetto più significativo di Exscalate è la capacità di simulare in modo estremamente rapido l’interazione fra cellule, eventuali patogeni e molecole in qualità di potenziali inibitori. La sua applicazione principale riguarda lo sviluppo di nuovi farmaci oppure l’intervento in caso di emergenza, con il presentarsi di un patogeno (virus o batterio) sconosciuto.

La potenza di calcolo Exscalate è in grado di analizzare simultaneamente più proteine del virus, e quindi valutare i possibili inibitori dei meccanismi di replicazione, di infezione e di inibizione della risposta immunitaria (approccio poli-farmacologia). Contestualmente Exscalate è in grado di valutare in modo accurato l’energia di interazione tra il potenziale farmaco ed il suo target virale utilizzando calcoli quanto-meccanici e di calcolo di energia libera (Free Energy Perturbation).

Oggi i risultati della piattaforma sono a disposizione della comunità internazionale attraverso il consorzio pubblico-privato Exscalate4CoV (E4C). Il consorzio, guidato da Dompé farmaceutici aggrega 18 istituzioni e centri di ricerca in sette Paesi europei: Politecnico di Milano (Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria), Consorzio Interuniversitario CINECA (Supercomputing Innovation and Applications), Università degli Studi di Milano (Dipartimento di Scienze Farmaceutiche), Katholieke Universiteit Leuven, International Institute Of Molecular And Cell Biology In Warsaw (LIMCB), Electra Italian Crystallographic Association, Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology, Bsc Supercomputing Centre, Forschungszentrum Jülich, Università Federico II di Napoli, Università degli Studi di Cagliari, SIB Swiss Institute of Bioinformatics, KTH Royal Institute of Technology (Department of Applied Physics), Associazione BigData, Istituto Nazionale Di Fisica Nucleare (INFN), l’Istituto nazionale per le malattie infettive Lazzaro Spallanzani e Chelonia Applied Science.

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