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Max Planck Institute

 
 

La Società Max Planck per l'Avanzamento della Scienza è un'organizzazione di ricerca indipendente e senza scopo di lucro con sede principale in Germania. Come la maggior parte degli altri gruppi di ricerca scientifica internazionali, il Göttingen Institute si affida ai calcoli come strumento vitale per lo svolgimento e l'analisi dei risultati del proprio lavoro. Il professor Holger Stark e il suo gruppo, attivi nello studio della criomicroscopia elettronica in 3D, hanno potuto accelerare le proprie ricerche in modo sostanziale grazie all'adozione da parte dell'MPG di una soluzione di calcolo in parallelo su unità di elaborazione grafica (GPU) che si avvale di tecnologie NVIDIA CUDA e Tesla.

Sfida

Il lavoro del professor Stark intende aumentare la nostra comprensione della struttura e del momento tridimensionale delle infinitesimali strutture nanomolecolari denominate macromolecole. Presenti in ogni cellula vivente, queste ‘macchine’ biologiche sono responsabili dei processi vitali più elementari. È quindi evidente quanto sia importante creare una rappresentazione più precisa di queste macchine e dei meccanismi che le regolano. Per esempio, gli antibiotici agiscono sulle funzioni di un particolare tipo di macromolecola denominata ribosoma. Una reale comprensione di questi ribosomi e delle loro funzioni è quindi molto importante per consentire ai ricercatori farmaceutici di sviluppare farmaci efficaci.

Per produrre immagini tridimensionali particolareggiate delle macromolecole, il gruppo del professor Stark si avvale di un microscopio elettronico. Sebbene i moderni microscopi elettronici offrano risoluzioni superiori alla distanza tra i singoli atomi, le strutture biologiche che vengono studiate in questo caso verrebbero distrutte da un fascio di elettroni così intenso. Per evitare di danneggiare le strutture biologiche, il team raffredda i campioni a una temperatura estremamente bassa e quindi utilizza una dose relativamente bassa di elettroni mentre osserva la struttura delle macromolecole e il loro movimento tridimensionale. Ma dal momento chela bassa risoluzione produce immagini “disturbate” che devono poi essere ripulite, i ricercatori hanno sviluppato strumenti specializzati di elaborazione delle immagini tridimensionali in grado di ridurre i disturbi e di allineare rapidamente molteplici immagini per migliorare la precisione.

Grazie all'uso di un cluster di CPU a 48 core, il team è stato in grado di allineare 15.000 immagini in circa sette giorni di tempo. Tuttavia, di questo passo, l'obiettivo di allineare un milione di immagini verrebbe raggiunto solo impiegando 15 mesi per ogni macromolecola studiata.

Soluzione

Nel febbraio 2008, il laboratorio di Göttingen dell'MPG è diventato la prima installazione NVIDIA® Tesla™ del mondo, con 200 GPU in configurazione server. Usando il linguaggio di programmazione NVIDIA CUDA™ per eseguire i propri algoritmi sulle soluzioni server Tesla, i ricercatori sono stati in grado di sfruttare il vantaggio della straordinaria potenza di calcolo in parallelo offerta dalle GPU e, quindi, di accelerare nettamente i propri calcoli.

Con questa configurazione di GPU, l'allineamento di un milione di immagini ha una durata di sole 14 ore – cioè è circa 800 volte più rapida di quanto fosse possibile con il precedente cluster di CPU. Grazie a questi risultati. l'MPG programma di espandere la propria struttura Tesla, in modo da completare l'allineamento delle immagini in sole 9 ore. Questo metterà il cluster di GPU di Göttingen su un piano di teorica parità con i supercomputer più potenti del mondo.

“La tecnologia di calcolo su GPU di NVIDIA è proprio la soluzione che il nostro gruppo di ricerca stava cercando”, ha dichiarato Stark. “Ed è arrivata proprio al momento giusto. La differenza che fa per il nostro lavoro è fondamentale – ora possiamo eseguire in poche ore calcoli che erano lenti sin quasi all'impossibile sulle nostre precedenti soluzioni basate su CPU. Questa tecnologia ci permetterà di accelerare la ricerca e arrivare con forte anticipo a scoperte eccezionali e molto attese.”

Impatto

Nuove informazioni sulla relazione tra antibiotici e macromolecole nei batteri porteranno allo sviluppo di farmaci e antibiotici di nuova generazione, molto più efficaci.

Col tempo, si spera che queste ricerche possano contribuire a ridurre i tempi di recupero da gravi patologie e operazioni chirurgiche e, di conseguenza, salvare vite umane.



 
 
 
 
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