9 aprile 2019

EXSCALATE frutto della collaborazione tra Dompé Farmaceutici, Politecnico di Milano e CINECA: è italiano il supercalcolo intelligente più potente e a basso costo al mondo a supporto della ricerca di terapie in caso di epidemie

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  • EXSCALATE (EXaSCale smArt pLatform Against paThogEns) è composta da una “biblioteca chimica” di oltre 500 miliardi di molecole, che può valutare più di 3 milioni di molecole al secondo su 30 target biologici contemporaneamente, con un costo computazionale per lo screening medio (1 miliardo di molecole) di 4 mila euro.
  • Attualmente le performance della piattaforma sono sfruttate per individuare molecole efficaci nel contrastare il Virus Zika.

9 aprile 2019 - È a trazione italiana il supercalcolo intelligente più performante (e a minor costo) al mondo. Si tratta di un High Performance Computing, Structure-Based Drug Design System – cioè un sistema di calcolo in grado di accelerare la ricerca di nuovi farmaci, utile soprattutto in caso di epidemie provocate da patogeni– che non ha eguali nel mondo.

Le prestazioni ottenute da EXSCALATE – questo il nome della piattaforma di supercalcolo intelligente – rappresentano il nuovo record in questo campo: una “biblioteca chimica” di 500 miliardi di molecole, fino a 30 target biologici valutati contemporaneamente, capacità di elaborazione di più di 3 milioni di molecole in un secondo ed un costo per screening per 1 miliardo di molecole di 4 mila euro.

Prestazioni che superano di molto l’attuale “stato dell’arte” oggetto anche di un recente articolo su Nature (6 febbraio 2019, https://www.nature.com/articles/s41586-019-0917-9) in cui si era raggiunta una “biblioteca chimica” di 138 milioni di molecole su di un singolo target, capacità di elaborazione meno di 2 mila molecole per secondo.

Questo risultato è frutto di un consorzio pubblico-privato, nato all’interno del progetto europeo ANTAREX – con un finanziamento di oltre 3 milioni di euro – all’interno del programma per H2020 Future and Emerging Technologies per il supercalcolo, che vede capofila Dompé farmaceutici (come partner industriale per le applicazioni in ambito salute) insieme a Politecnico di Milano (coordinatore del progetto e partner per la accelerazione dell’applicazione) e CINECA (partner tecnologico che ha adattato l’applicazione al supercalcolatore Marconi).

Il primo campo di prova della piattaforma Exscalate è la crisi epidemiologica causata dal virus Zika, ad oggi ancora priva di cure efficaci. In questo caso EXSCALATE ha identificato molecole potenzialmente capaci di inibire 5 delle 7 proteine virali – NS5, NS1, NS2B/NS3, NS3 e la proteina di membrana –. Le molecole più promettenti identificate attraverso la piattaforma Exscalate sono ora in fase di sperimentazione biologica.

Il caso di studio portato avanti sul virus Zika sarà “aperto” alla comunità internazionale ed i risultati resi pubblici attraverso il sito ANTAREX4ZIKA.eu.

L’idea di una piattaforma in grado di accelerare enormemente la ricerca farmaceutica in silico deriva da quasi dieci anni di investimenti da parte di Dompé farmaceutici, attraverso la sua Drug Discovery platform dedicata allo sviluppo di farmaci attraverso metodiche in silico avanzate. Punto di partenza per lo sviluppo del tool centrale della piattaforma Exscalate è stato il software di structure-based virtual screening LiGen (Ligand Generator). LiGen è frutto di una lunga collaborazione tra Dompe e il centro italiano di supercalcolo Cineca, il software era stato inizialmente ingegnerizzato per correre in modo nativo ed efficace su architetture di supercalcolo ed era già uno degli strumenti più competitivi nell’arena dei software per virtual screening.

Attraverso il progetto Antarex, Dompé ha colto l’opportunità di incorporare in LiGen le nuove tecnologie necessarie alla transizione all’era dell’exascale computing. Grazie alle tecniche di calcolo intelligente sviluppate al Politecnico di Milano dal gruppo della Prof.ssa Cristina Silvano e del Prof. Gianluca Palermo, e alla stretta collaborazione con un gruppo interdisciplinare di CINECA e DOMPE’ è stato possibile implementare il software LiGen e sfruttare appieno la potenza di calcolo di Marconi uno dei primi 20 supercalcolatori del mondo installato presso CINECA.

“Grazie a questo lavoro di collaborazione scientifica, che ha visto impegnate realtà pubbliche e private, si punta a rendere disponibile alla comunità dei ricercatori un sistema di simulazione in grado di sostenere e accelerare la scoperta di terapie innovative per combattere le pandemie come ad esempio virus Zika – commenta Andrea Beccari responsabile di EXSCALATE e della Drug Discovery Platform di Dompé. Grazie a questo lavoro si è oggi in grado di ottimizzare la “valutazione” di un numero di molecole mai raggiunto prima e quindi di ridurre drasticamente il processo di screening virtuale su target farmacologicamente rilevanti per giungere ad identificare nuovi composti attivi”.

EXSCALATE può rappresentare un modello per la ricerca scientifica e per l’industria farmaceutica: ovvero mettere a sistema le migliori competenze informatico-ingegneristiche europee con la più innovativa chimica farmaceutica applicata al fine di sfruttare al massimo la infrastruttura tecnologiche italiana ed europea. Questo apre alla possibilità di abbreviare la strada verso trattamenti importanti per la salute pubblica, favorendo la rapida disponibilità di candidati farmaci che vengono valutati in tempi brevissimi.

“Questo progetto si posiziona nel quadro più generale dell’urgent computing ovvero delle simulazioni richieste da enti nazionali e internazionali per ottenere, risposte operative nel più breve tempo possibile” - aggiunge Carlo Cavazzoni responsabile R&D HPC Cineca – “inoltre beneficerà a breve dell’ulteriore potenziamento della attuale infrastruttura di calcolo europea che grazie ad un investimento di più di 1 miliardo di euro veicolato dal EuroHPC Joint Undertaking consentirà all’Europa di diventare uno dei maggiori player al mondo per il supercalcolo”.

Fondata nel 1940 a Milano, Dompé è una delle principali aziende biofarmaceutiche italiane focalizzata nell’identificazione di terapie innovative per il trattamento di patologie ad elevato bisogno di cura, rare e/o orfane, e allo sviluppo di nuove formulazioni biofarmaceutiche, con un impegno costante in ricerca e sviluppo. L’azienda ha il proprio quartier generale a Milano, il polo di produzione all’Aquila, la ricerca articolata in un’ampia rete di collaborazioni a livello internazionale che insieme all’Aquila e Napoli interconnette oltre 200 centri e Università, fra cui Harvard Houston Methodist, Stanford, Columbia University, Karolinska Institutet in Svezia, National Institute of Health, con i quali sono stati condotti nel tempo 27 clinical trials che hanno coinvolto oltre 2.000 pazienti.

Il Politecnico di Milano è una delle migliori università a livello mondiale secondo la prestigiosa classifica QS World University Ranking. Fondato nel 1863, è la più grande scuola di architettura, design e ingegneria in Italia, con tre sedi principali situate a Milano, quattro Poli territoriali in Italia e uno in Cina. Da sempre punta sulla qualità e sull'innovazione della didattica e della ricerca, sviluppando un rapporto fecondo con la realtà economica e produttiva attraverso la ricerca sperimentale e il trasferimento tecnologico.

Cineca, Consorzio Interuniversitario, è il maggiore centro di calcolo per la ricerca in Italia, uno dei più importanti al mondo. Costituito nel 1969, oggi è composto dal MIUR, 67 università, 9 enti di ricerca, tre policlinici. Offre supporto alla comunità scientifica tramite il supercalcolo e le sue applicazioni, realizza sistemi informativi per il sistema accademico nazionale.

Antarex, Il progetto di ricerca ANTAREX è stato finanziato nel programma H2020 Future and Emerging Technologies su High Performance Computing. Il progetto coinvolge CINECA, il centro di supercalcolo italiano Tier-0 e IT4Innovations, il centro di supercalcolo ceco Tier-1 e partner industriali e accademici quali: Dompé, Politecnico di Milano, ETH di Zurigo, Università di porto, Inria e Sygic.. L'obiettivo principale del progetto ANTAREX è fornire un approccio rivoluzionario alla mappatura, alla gestione runtime e alla messa a punto automatica delle applicazioni per sistemi HPC (High Performance Computing) verdi ed eterogenei fino al livello exascale.

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