Folding@home
ハンチントン病は、タンパク質の折り返しや凝集を伴う神経変性性遺伝性疾患である。 ハンチントンタンパク質(英語版)のN末端にあるグルタミンアミノ酸の過剰な繰り返しが凝集を引き起こし、その挙動は完全には解明されていないが、本疾患に伴う認知機能の低下につながると考えられている。 他の凝集体と同様に、その構造を実験的に決定することは困難である。 科学者たちは、Folding@homeを用いて、ハンチントンタンパク質の凝集体の構造を研究し、凝集体がどのように形成されるかを予測し、凝集体の形成を止めるための合理的な医薬品設計法を支援している。 ハンチントンタンパク質のN17フラグメントは、この凝集を促進し、いくつかのメカニズムが提案されているが、このプロセスにおける正確な役割はほとんど不明である。 Folding@homeは、このフラグメントと他のフラグメントのシミュレーションを行い、疾患における役割を明らかにしてきた。2008年からは、アルツハイマー病の薬物設計法をハンチントン病に応用している。
他の分散コンピューティングプロジェクトと同様に、Folding@homeはオンライン市民科学プロジェクトである。 こうしたプロジェクトでは、専門家ではない人々がコンピュータ処理能力を提供したり、プロの科学者が作成したデータの分析を手伝ったりする。 参加者はほとんど、あるいは明らかな報酬を受け取らない。
市民科学者の動機についての研究が行われてきたが、これらの研究のほとんどは、参加者が利他的な理由から参加する動機を持っていることを発見している。 つまり、科学者を助けたい、研究の発展に貢献したいと考えていることがわかった。 市民科学の参加者の多くは、研究のテーマに根底にある興味を持ち、自分の興味のある分野のプロジェクトへと引き寄せられていく。
Folding@homeもその点では変わりはなく、最近(2018)、400人以上の参加者を対象に行われた調査では、研究に貢献したいと考えていること、また、多くの参加者には、Folding@homeの科学者が調査している病気に罹患した友人や親戚がいることが明らかになった。
Folding@homeは、コンピュータハードウェアの愛好家(「オーバークロッカー」と呼ばれることもある)の参加者を集めている。 これらのグループは、プロジェクトにかなりの専門知識をもたらし、高度な処理能力を持つコンピュータを構築することができる。
Folding@homeの参加者は、パーソナルコンピュータにクライアントプログラムをインストールする。 ユーザは、バックグラウンドで他のソフトウェアコンポーネントを管理するクライアントと対話する。 ユーザはクライアントを通じて、折り畳み処理を一時停止したり、イベントログを開いたり、作業の進捗状況を確認したり、個人の統計情報を表示したりすることができる。 コンピュータ・クライアントは、通常のコンピュータの使用に影響を与えないように、非常に低い優先度でバックグラウンドで継続的に実行され、アイドル処理能力を使用する。 CPUの最大使用量は、クライアントの設定で調整できる。 クライアントは、Folding@homeサーバに接続し、ワークユニットを取得し、クライアントの設定、オペレーティングシステム、および基礎となるハードウェアアーキテクチャに適したコアをダウンロードすることができる。 処理後、ワークユニットは、Folding@homeサーバに戻される。 コンピュータ・クライアントは、ユニプロセッサ・システムやマルチコア・プロセッサ・システム、グラフィックス・プロセッシング・ユニットに合わせて調整されている。 各ハードウェアアーキテクチャ(英語版)の多様性と処理性能により、Folding@homeは、多くの種類のシミュレーションをタイムリーに(数年ではなく数週間から数ヶ月で)効率的に完了させることができ、これは科学的価値の高いものである。
2009年2月18日には、Folding@home がネイティブペタFLOPS 5ペタFLOPSを達成し、この5つのレベルを達成した最初の計算機プロジェクトとなった。 これに対して、2008年11月の最速スーパーコンピュータはIBMのRoadrunnerで1.105ペタFLOPSであった。 2011年11月10日のFolding@homeの性能は、6ネイティブペタFLOPSを超え、これはx86の8ペタFLOPS近くに相当する。2013年5月中旬には、Folding@homeは7ネイティブペタFLOPSを超え、14.87 x86ペタFLOPSに相当する。その後、6月21日には8ネイティブペタFLOPSを達成し、同年9月9日には9ネイティブペタFLOPSを達成、17.9 x86 ペタFLOPSを達成した。2016年5月11日、Folding@homeは100 x86 ペタFLOPSの達成に向けて動き出したと発表した。
2020年のコロナウイルスパンデミックによる意識の高まりと、市民科学者のプロジェクトへの参加から、さらなる利用が拡大した。 2020年3月20日、Folding@homeはTwitterを通じて、470ネイティブペタFLOPS以上で稼働していることを発表した(958 x86ペタFLOPSに相当)。 同年3月25日までに768ペタFLOPS、つまり1.5 x86エクサFLOPSに達し、初のエクサFLOPコンピューティングシステムとなった。
ユーザは自分の貢献をチームに対して登録することができ、メンバー全員のポイントを合算することができる。 ユーザは自分のチームを立ち上げることも、既存のチームに参加することもできる。 場合によっては、チームは、インターネットフォーラムのようなコミュニティ主導のヘルプや勧誘の情報源を持つこともある。 ポイントは、プロジェクトのために最も多くの計算をするために、個人とチームの間で友好的な競争を促進することができ、フォールディングコミュニティに利益をもたらし、科学研究を加速させることができる。 個人とチームの統計は、Folding@home のウェブサイトに掲載される。
ユーザが新しいチームを結成しなかったり、既存のチームに参加しなかったりすると、そのユーザは自動的に「デフォルト」チームのメンバーになる。 この「デフォルト」チームのチーム番号は「0」で、統計情報は、この「デフォルト」チームとして特別に命名されたチームのために蓄積される。
アルツハイマー病は、高齢者に多く発症し、認知症の半数以上を占める難治性の神経変性疾患である。 正確な原因は不明だが、この病気はタンパク質のミスフォールディング疾患として同定されている。 アルツハイマー病は、アミロイドβペプチド(Aβと略す)が他のAβペプチドと一緒にミスフォールディングして凝集することによって引き起こされる有毒な凝集体と関連している。 これらのAβ凝集体は、アルツハイマー病の病理学的マーカーである老人斑(神経突起斑))に成長する。 これらの凝集体は不均一な性質を持っているため、X線結晶構造解析や核磁気共鳴(NMR)などの実験的手法では、その構造の特徴を明らかにすることが困難であった。 また、Aβ凝集体の原子シミュレーションは、その大きさと複雑さから、計算量が非常に多くなる。
Aβ凝集を防ぐことは、アルツハイマー病の治療薬を開発する上で有望な方法であると、NaeemとFaziliは文献調査(英語版)で述べている。 2008年、Folding@homeは、数十秒単位の時間スケールでAβ凝集のダイナミクスを原子レベルで詳細にシミュレーションした。 これまでの研究では、約10マイクロ秒のシミュレーションしかできなかった。