GPU e cellule viventi, questo l’ultimo passo della ricerca scientifica sviluppata negli USA

Una simulazione in 3D di 20 minuti. Una unità di elaborazione grafica progettata per accelerare la creazione di immagini in un frame buffer, destinato all’output su un dispositivo di visualizzazione, made in Nvidia. Et voila, la ricerca scientifica compie un altro passo importante nelle cellule viventi.

Il merito va ascritto ai ricercatori dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, capaci di compiere qualcosa di straordinario: sviluppare un software per due miliardi di atomi che metabolizza e cresce come una cellula vivente, grazie all’utilizzo della GPU Nvidia Titan V e Tesla Volta V100.

La NVIDIA Titan V è la scheda grafica basata su Volta, più potente, mai creata per PC: 110 di apprendimento profondo teraflop, 3D di memoria impilata e qualcosa come 21 miliardi di transistor, per un costo che si aggira sui tremila euro.

Il motivo scatenante dell’interesse dei ricercatori verso le “cellule minime”

La Tesla V100, invece, è la GPU per data center più avanzata mai costruita per accelerare IA, HPC, scienza dei dati e grafica. Che ha fatto proprio al caso dei ricercatori statunitensi. È basata sull’architettura NVIDIA Volta, disponibile in configurazioni da 16 e 32GB e offre le prestazioni di 100 CPU in una sola GPU. Nata per scienziati, ricercatori e ingegneri, in quanto di affrontare problemi una volta considerati irrisolvibili. Fra questi, proprio l’esperimento in questione.

“Un obiettivo generale della biologia molecolare è spiegare i processi di base della vita in termini di leggi della fisica e della chimica”. Viene presentata così la simulazione in 3D pubblicata su Cell. “Nel 1984 Morowitz propone lo studio delle cellule viventi più semplici, i Micoplasmi, come modelli per comprendere i principi fondamentali della vita”.

“Proprio come lo studio dell’idrogeno, l’atomo più semplice, ha portato alla comprensione di atomi più complessi, sembra plausibile che lo studio delle cellule viventi più semplici rivelerà principi che si applicano a tutti i sistemi viventi”.

Questo il motivo che ha scatenato l’interesse dei ricercatori americani verso le “cellule minime” progettando e costruendo genomi cellulari che non includessero geni non essenziali in laboratorio. “Siamo stati in grado – si legge – di produrre cellule viventi con meno geni di qualsiasi cellula conosciuta presente in natura”.

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Decisivo l’utilizzo delle GPU per la simulazione, capaci di accelerare il software Lattice Microbes fino settemila processi di informazione genetica riguardanti il ciclo di una cellula con una dotazione genetica minima: un batterio parassita chiamato micoplasma. Il tutto nell’arco di 20 minuti del ciclo stesso.

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In questo lasso di tempo, la cellula ha trasportato molecole attraverso la membrana cellulare, anche se il tempo a disposizione non è servito per l’inizio dell’espansione della cellula alla replicazione del suo DNA. “Quello che abbiamo scoperto nella simulazione è che i comportamenti fondamentali emergono dalla cellula simulata”. Parola di Zaida Luthey-Schulten. “Non perché li abbiamo programmati – continua una delle direttrici del Center for the Physics of Living Cells – ma perché avevamo i parametri cinetici e i meccanismi lipidici corretti nel nostro modello”.