La supercomputación española, al rescate contra el Covid-19

En la lucha contra el coronavirus, cualquier aliado es bienvenido, más si se trata de uno tan poderoso como la supercomputación. El Barcelona Supercomputing Center – Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) trabaja en la investigación frente al SARS-CoV-2 aplicando la bioinformática a la búsqueda de tratamientos.

No es su único cometido. También colabora en el estudio de la propagación e impacto del virus, analizando datos a través de la inteligencia artificial y el procesamiento del lenguaje natural, y utiliza la capacidad de cálculo del superordenador MareNostrum 4 para acelerar las investigaciones puestas en marcha frente al virus y la enfermedad que provoca.

El BSC-CNS desarrolla sus trabajos a través de varios proyectos en colaboración con otros centros, entre ellos el EXSCALATE4CoV (E4C), financiado por la Comisión Europea en una reciente convocatoria exprés sobre el Covid-19, en el marco del programa H2020, y proporciona apoyo a investigadores externos. También participa con Unicef e IBM en un proyecto que pretende analizar el impacto socio-económico del virus de manera local y global.

"El BSC-CNS es un ejemplo de cómo la bioinformática y los superordenadores son hoy en día una herramienta indispensable para los centros de investigación que cuentan con laboratorios experimentales para acelerar la lucha contra el coronavirus", dice el Ministerio de Ciencia en comunicado de prensa.

La bioinformática se utiliza para la investigación sobre el virus y sus posibles tratamientos, analizando el genoma del coronavirus y sus sucesivas mutaciones, y para la búsqueda de fármacos y terapias inmunitarias (anticuerpos y vacunas).

El estudio de la evolución del virus, su modo de transmisión y los mecanismos que utiliza para interactuar con nuestro sistema de defensa o el de otras especies animales es crucial para buscar tratamientos y prevenir y predecir futuros brotes.

Este tipo de estudio se realiza sobre información disponible en bases de datos públicas que albergan secuencias genómicas de las diferentes mutaciones del virus y de diferentes especies animales.

La información se analiza con programas informáticos diseñados expresamente para ello, algunos desarrollados en el propio BSC y otros por otros equipos.

Pero como el procesamiento de estos datos requiere gran capacidad de cálculo, se necesita un supercomputador de altas prestaciones y aquí entra en escena el superordenador MareNostrum 4.

Búsqueda de tratamientos

Otro frente de la investigación es la búsqueda de tratamientos contra las enfermedades causadas por coronavirus a partir de simulaciones informáticas que reproducen in silico las posibles vías por la que se puede atacar el virus.

Este proceso se conoce en el mundo de la investigación como docking o acoplamiento y consiste en simular en el ordenador las interacciones entre el virus y moléculas que podrían servir para fabricar vacunas, tratamientos con anticuerpos o tratamientos con fármacos.

"Para ello, se utiliza como base el conocimiento generado en la investigación del genoma del virus, información sobre las estructuras de sus proteínas del virus y datos sobre fármacos y otras moléculas inorgánicas, que están almacenadas en librerías informáticas en las que se pueden encontrar millones de compuestos químicos, generados durante años y anotados con los resultados obtenidos en experimentos anteriores", afirma el Ministerio.

La búsqueda o cribado de fármacos por ordenador es muy útil para acelerar el proceso de encontrar y validar tratamientos y vacunas para enfermedades, puesto que reduce en gran medida el tiempo y la inversión necesarios para la primera fase de esta investigación. Cualquier tratamiento o vacuna que los modelos informáticos predicen que puede tener éxito, posteriormente tiene que ser validada en laboratorios experimentales, en experimentación con animales y en investigaciones clínicas, y revisada en constante colaboración entre los diferentes participantes de la investigación.

Para realizar este trabajo, los investigadores del BSC-CNS utilizan diferentes programas informáticos, como el PELE, un método desarrollado en el centro que es uno de los sistemas más competitivos del mercado en este sector. Este software y la potencia del superordenador MareNostrum 4 permiten realizar miles de experimentos computacionales optimizando la unión de fármacos y proteínas de una manera rápida y efectiva.

En este centro, la investigación sobre el virus y sus posibles tratamientos se desarrolla en estrecha colaboración entre los grupos del director del Departamento de Ciencias de la Vida del BSC y líder del grupo de biología computacional, Alfonso Valencia; el responsable del equipo de Modelado electrónico y atómico de proteínas y máximo impulsor del software PELE, Víctor Guallar, y el responsable del grupo de genómica comparada, Toni Gabaldón. Todos ellos, investigadores ICREA, trabajan en cooperación con el equipo de sistemas del BSC-CNS, que les garantiza los recursos computacionales necesarios.

Actualmente dos proyectos canalizan la investigación que se lleva a cabo en el centro sobre el coronavirus y sus posibles tratamientos: el EXSCALATE4CoV (E4C) y un proyecto de colaboración con los centros de investigación IrsiCaixa y CreSa-IRTA.

El primero de ellos pone más énfasis en la investigación básica y aplicada para la búsqueda de fármacos, mientras que la colaboración con IrsiCaixa y CreSa está más centrada en la búsqueda de terapias inmunológicas, apoyada en la investigación genómica y las herramientas bioinformáticas.

La ayuda de la inteligencia artificial

Por otra parte, el grupo de investigación de Inteligencia Artificial de Altas Prestaciones (HPAI) del BSC-CNS colabora con Unicef e IBM en un proyecto que pretende analizar el impacto socio-económico del virus de manera local y global, haciendo hincapié en el distanciamiento social. El objetivo es encontrar indicadores, patrones y estadísticas de impacto que sirvan a la ONU y a los responsables locales para tomar mejores mediciones y más rápidas.

El grupo que lleva a cabo el proyecto está formado actualmente por unas 40 personas procedentes de ocho países distintos, y se centra en los casos de tres ciudades: Nueva York, Tokio y Barcelona. El HPAI lidera el caso de Barcelona.

El mismo equipo de expertos en inteligencia artificial del BSC-CNS colabora además con investigadores mexicanos y otros investigadores del centro en la creación de un sistema de recogida y análisis de datos, para ayudar en la toma de decisiones para hacer frente al Covid-19. El proyecto se lleva a cabo en colaboración con las ciudades México DF, Nuevo León y Jalisco.

El superordenador MareNostrum 4, que continúa a plena actividad, aporta la capacidad de cálculo necesaria para acelerar las investigaciones en marcha contra el coronavirus. No solo lo utiliza el Departamento de Ciencias de la Vida del BSC-CNS para sus investigaciones, también se ha puesto a disposición de equipos de investigación o entidades externas que necesiten computación de altas prestaciones para sus investigaciones contra el coronavirus. Asimismo, el Departamento de Operaciones del BSC-CNS proporciona apoyo en el uso del Marenostrum 4, tanto a investigadores internos como externos.