Siêu máy tính Blue Waters – vũ khí mới trong công cuộc ngăn chặn virus HIV

Siêu máy tính Blue Waters có khả năng tính toán 1 triệu tỉ phép tính mỗi giây (tức 1 petaflops) và có thể đạt mức cực đại lên đến 11,61 petaflops.

Hiện nay, phương pháp để vô hiệu hóa hoàn toàn virus HIV cũng như loại bỏ khả năng kháng thuốc của nó vẫn là một câu trả lời khó đối với các nhà khoa học. Giờ đây chúng ta hầu như đã nắm được mối nguy hiểm của loại virus chưa có thuốc chữa này. HIV lây nhiễm vào các tế bào quan trọng trong hệ thống miễn dịch của con người như lympho bào T có tính bổ trợ (cụ thể là những tế bào T – CD4 ), đại thực bào và tế bào tua . Nhiễm HIV làm giảm mạnh số lượng tế bào CD4 thông qua 3 cơ chế chính: đầu tiên, virus trực tiếp giết chết các tế bào mà chúng nhiễm vào, sau đó làm tăng tỷ lệ chết rụng tế bào ở những tế bào bị nhiễm bệnh, bước 3 là các lympho bào T độc (CD8) giết chết những lympho bào T – CD4 bị nhiễm bệnh. Khi số lượng các tế bào CD4 giảm xuống dưới một mức giới hạn nào đó, sự miễn dịch qua trung gian tế bào bị vô hiệu và cơ thể dần dần yếu đi tạo điều kiện cho các nhiễm trùng cơ hội. Nhưng nhờ những nỗ lực của các nhà nghiên cứu tới từ Đại học Pittsburgh, Đại học Illinois và sự hỗ trợ của siêu máy tính petaflop, chúng ta đã thu được những thành quả nhất định trên con đường ngăn chặn tận gốc sự phát triển của loại virus nguy hiểm này.

HIV có cấu trúc không giống với các retrovirus khác. Nó có hình cầu với đường kính khoảng 120 nm, nhỏ hơn khoảng 60 lần so với một tế bào hồng cầu, nhưng đối với các virus khác thì nó khá lớn. HIV chứa 2 bản sao của ARN chuỗi đơn dương mã hóa 9 gen của virus được bao bọc bởi 1 lớp vỏ (capsid) hình nón bao gồm 2.000 bản sao của các protein p24. Các RNA sợi đơn được gắn kết với những protein nucleocapsid p7 (phức hợp bao gồm acid nucleic và vỏ capsid) và những enzyme cần thiết cho sự phát triển của virus như enzyme phiên mã ngược, enzyme protease, ribonuclease và integrase. Capsid có trách nhiệm bảo vệ RNA và vô hiệu hóa hệ thống miễn dịch của vật chủ, đồng thời đưa nó thâm nhập vào tế bào của con người. Một khi lọt vào được bên trong tế bào cơ thể người, capsid sẽ phân chia để giải phóng các thành phần, giúp virus tái tạo. Nói cách khác capsid chính là “điểm then chốt” nhằm tìm ra phương thuốc hữu hiệu tận diệt virus HIV.

Cấu trúc virus HIV bao ngoài là một lớp màng lipid kép, dưới màng có gai là các glycoprotein trọng lượng phân tử 120 kilođanton (KD) ký hiệu là gp120, vỏ protein có dạng hình cầu gồm các phân tử rotein có trọng lượng phân tử 18KD, p18 và lõi có dạng hình trụ được bao bọc bằng một lớp protein p24.

Phó giáo sư tiến sĩ Peijun Zhang, trưởng khoa sinh học cấu trúc thuộc Trường Đại học y khoa Pittsburgh đồng thời là chủ dự án nghiên cứu cấu trúc capsid của virus HIV cho biết: “Capsid vô cùng quan trọng đối với sự sinh sôi nảy nở của HIV, vì vậy, hiểu rõ cấu trúc chi tiết của nó có thể giúp chúng ta tạo ra được những dược phẩm mới, có khả năng chữa trị hoặc ngăn chặn lây nhiễm HIV. Khi xâm nhập vào cơ thể người, caspid vẫn còn nguyên vẹn để bảo vệ bộ gen HIV, sau đó nó sẽ phân chia để giải phóng các thành phần, giúp virus tái tạo làm tiền đề cho sự nhân rộng của virus. Phát triển các loại thuốc gây rối loạn chức năng lớp vỏ bằng cách ngăn chặn lắp ráp hoặc tháo rời có thể chống lại khả năng sinh sản của virus trong cơ thể người bệnh”.

Tuy nhiên, một thách thức đặt ra là do cấu trúc caspid khá lớn, lại không đối xứng và không đồng bộ nên các kỹ thuật phổ biến nhằm giải mã cấu trúc này như kính hiển vi điện tử cryo-electron, chụp cắt lớp cryo-EM, X-quang cấu trúc tinh thể chưa thể thu được những kết quả tích cực. Điều này vẫn nằm ngoài tầm với của khoa học vì không có đủ kỹ năng tính toán mô hình hóa cấp độ nguyên tử. Vấn đề này đòi hỏi tới các siêu máy tính petaflop mới. Nhóm nghiên cứu của phó giáo sư Peijun Zhang đã quyết định nhờ tới Trung tâm ứng dụng siêu máy tính của Đại học Illinois tại Urbana-Champaign.

Đại học Illinois sở hữu siêu máy tính Blue Waters (được biết khả năng tính toán ổn định của máy là 1 triệu tỉ phép tính mỗi giây – tức 1 petaflops – và có thể đạt mức cực đại lên đến 11,61 petaflops). Tổng cộng số nhân thực của Blue Waters là 362.240 nhân, tổng dung lượng RAM là 1.382 petabyte và băng thông dữ liệu 102.4GB/s. Theo các nhà khoa học ở Đại học Illinois cho biết thêm rằng với khả năng tính toán cực đại 11,6 petaflops, Blue Waters có thể nằm ở hạng thứ 3 trong danh sách TOP 500 các siêu máy tính mạnh nhất thế giới.

Với sự giúp sức của siêu máy tính này, nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Pittsburgh đã tạo nên kỳ tích để tính toán ra cách 1.300 protein kết nối với nhau như thế nào nhằm hình thành lớp vỏ capsid hình nón. Nhóm nghiên cứu vừa chính thức tiết lộ cấu trúc caspid hoàn chỉnh của virus HIV trong báo cáo nghiên cứu đăng tải trên tạp chí Nature. Họ cho rằng, nắm rõ cấu trúc caspid sẽ giúp các nhà khoa học hiểu được cơ chế hoạt động và làm thế nào có thể tấn công để phá vỡ khả năng nhân rộng của virus.

Phó giáo sư Zhang cho rằng: “Tốc độ biến đổi nhanh chóng đã giúp virus HIV có khả năng kháng thuốc mạnh mẽ. Công trình nghiên cứu của chúng tôi sẽ mở ra triển vọng về một phương pháp chữa trị có thể thay thế các liệu pháp điều trị HIV phổ biến hiện nay, vốn hoạt động nhờ tấn công những enzyme nhất định hoặc tách vi rút HIV khỏi các tế bào ADN , từ đó cho phép hệ miễn dịch của cơ thể tiêu diệt vi rút này”.

Theo GenK