Folding@home
パンデ研究室では、Folding@homeを用いて、タンパク質フォールディング機構センター(Center for Protein Folding Machinery)と緊密に連携し、がん細胞に関与するこれらのシャペロンを阻害する薬剤を見つけたいと考えている。 また、研究者たちは、Folding@homeを使って、Srcキナーゼ(英語版)という酵素や、がんを含む多くの病気に関与している可能性のある大きなタンパク質であるエングレイルド(英語版)ホメオドメインの一部の形など、がんに関連する他の分子の研究にも取り組んでいる。 2011年、Folding@homeは、がん細胞表面受容体に結合することで、イメージングスキャンで癌腫を識別することができる小さなノッティンタンパク質EETIの動力学のシミュレーションを開始した。
インターロイキン2(IL-2)は、免疫系のT細胞が病原体や腫瘍を攻撃するのを助けるタンパク質である。 しかし、肺水腫などの重篤な副作用のため、がん治療薬としての使用は制限されている。 IL-2はT細胞とは異なる形で肺細胞に結合するため、この結合機構の違いを理解することが研究の課題となっている。 2012年には、Folding@homeは、免疫系の役割に300倍以上の効果がありながら、副作用が少ない変異型のIL-2の発見を支援した。 実験では、この変異型のIL-2は、腫瘍の成長を阻害するという点で、天然のIL-2よりも有意に優れていた。 製薬会社はこの変異体分子に関心を示しており、アメリカ国立衛生研究所は、治療薬としての開発を加速させるために、様々な腫瘍モデルを用いて試験を行っている。
タンパク質は、多くの生物学的機能に不可欠な構成要素であり、生物細胞内の事実上すべてのプロセスに関与している。 タンパク質は多くの場合、酵素として機能し、細胞のシグナル伝達、分子輸送、細胞周期の制御などの生化学反応を行っている。 構造要素として、いくつかのタンパク質は、細胞の骨格の一種である抗体として機能し、他のタンパク質は免疫システムに関与している。 タンパク質がこれらの役割を果たす前に、タンパク質は機能的な三次元構造に折りたたまれなければならない。 このプロセスは、しばしば自然発生的に行われ、アミノ酸配列内の相互作用やアミノ酸とその周囲のアミノ酸との相互作用に依存する。 タンパク質の折り畳み(フォールディング)は、タンパク質の最もエネルギー的に有利な構造、すなわち天然状態(立体配座)を見つけるための探索によって推進される。 このように、タンパク質のフォールディングを理解することは、タンパク質が何をしているのか、どのように機能しているのかを理解する上で非常に重要であり、計算生物学の聖杯と考えられてる。 フォールディングは、混雑した細胞環境の中で行われているにもかかわらず、通常はスムーズに行われている。 しかし、タンパク質の化学的性質やその他の要因により、タンパク質が誤って折り畳まれ(ミスフォールディングと呼ばれる)、誤った経路で折りたたまれてしまい、形が崩れてしまうことがある。
Antonは分子動力学シミュレーションのために構築された専用のスーパーコンピュータである。 2011年10月の時点で、AntonとFolding@homeは2つの最も強力な分子動力学システムであった。 Antonは、2010年にミリ秒領域に達した単一の分子軌道のように、非常に計算コストのかかる単一の(長い)分子軌道を生成する能力においてユニークであった。 このような長い軌跡は、いくつかのタイプの生化学的問題に特に役立つ。 しかし、Antonは解析にマルコフ状態モデル(MSM)を使用していない。 2011年、パンデ研究室は、2つの100μsのAntonシミュレーションからMSMを構築し、Antonの従来の解析では見えなかった代替のフォールディング経路を発見した。 その結果、限られた数の長い軌道から構築されたMSMと、多くの短い軌道から構築されたMSMの間には、ほとんど違いがないと結論づけた。 2011年6月、Folding@homeは、Antonと比較した手法をより適切に判断するために、Antonシミュレーションのサンプリングを追加した。 ただし、Folding@homeの短い軌道が分散コンピューティングや他の並列化手法に適しているのとは異なり、長い軌道はタンパク質の位相空間を十分にサンプリングするために適応的サンプリングを必要としない。 このため、Antonのシミュレーション手法とFolding@homeのシミュレーション手法を組み合わせることで、この空間のより完全なサンプリングが可能になる可能性がある。
Folding@homeは、最新のマルチコア・プロセッサの並列計算能力を利用することができ、複数のCPUコアを同時に使用することで、シミュレーション全体をはるかに早く完了させることができる。 同じ時間でより長いシミュレーション軌道を実行し、また大規模なシミュレーションを多くの別々のプロセッサに分散するという従来の困難を軽減するために、この方法は科学的にも価値のある方法である。 Journal of Molecular Biology(英語版)誌に掲載された2007年の論文では、マルチコア処理に依存することで、実験的なフォールディングと一致したビリン・タンパク質の一部のフォールディングを、シングルプロセッサクライアントで可能なものよりも約10倍長くシミュレーションしたと報告された。
2006年11月、第一世代の対称型マルチプロセシング(SMP)クライアントがオープンベータテスト用に公開され、これはSMP1と呼ばれた。 このクライアントは、並列処理にMessage Passing Interface(MPI)通信プロトコルを使用していたが、当時のGROMACSコアは複数スレッドでの使用を想定していなかった。 分散コンピューティングプロジェクトでMPIを使用した初めての試みであった。 クライアントはLinuxやmacOSなどのUnixベースのOSでは問題なく動作したものの、Windowsでは問題があった。 2010年1月24日、SMPクライアントの第二世代であり、SMP1の後継となるSMP2がオープンベータとしてリリースされ、複雑なMPIは、より信頼性の高いスレッドベースの実装に置き換えられた。