Введение
Проект добровольных вычислений на основе BOINC для поддержки научных исследований
World Community Grid (WCG) – это попытка создать крупнейшую в мире платформу добровольных вычислений для решения научных задач, приносящих пользу человечеству. Запущенный 16 ноября 2004 года с использованием проприетарного клиента Grid MP от United Devices и добавлением поддержки Berkeley Open Infrastructure for Network Computing (BOINC) в 2005 году, World Community Grid в конечном итоге отказался от клиента Grid MP и перешел на платформу BOINC в 2008 году. В сентябре 2021 года было объявлено о передаче прав собственности от IBM исследовательскому институту Krembil при University Health Network в Торонто, Онтарио. World Community Grid использует неиспользуемые вычислительные ресурсы персональных устройств (компьютеров, ноутбуков, смартфонов Android и т.д.) для анализа данных, создаваемых исследовательскими группами, участвующими в проекте. Проекты WCG анализировали данные, связанные с геномом человека, микробиомом человека, ВИЧ, лихорадкой денге, мышечной дистрофией, раком, гриппом, вирусом Эбола, вирусом Зика, виртуальным скринингом, урожайностью риса, чистой энергией, очисткой воды и COVID-19, среди других областей исследований. В настоящее время действует пять активных проектов и завершено 26 проектов. Ряд этих проектов опубликовали рецензируемые статьи, основанные на анализе данных, полученных с помощью WCG. Среди них – статья проекта OpenZika об открытии соединения (FAM 3), которое ингибирует белок NS3 Helicase вируса Зика, снижая вирусную репликацию до 86%; статья проекта FightAIDS@home об обнаружении новых уязвимостей белка капсида ВИЧ-1, что может открыть путь к созданию новых лекарственных препаратов; и статья проекта FightAIDS@home о новых методах компьютерного поиска лекарств для получения более точных и надежных результатов.
История
В 2003 году IBM и другие участники исследования спонсировали проект "Исследовательская сеть по изучению оспы", чтобы ускорить поиск лекарства от оспы. В исследовании использовалась масштабная распределенная вычислительная сеть для анализа эффективности различных соединений в борьбе с вирусом оспы. Проект позволил ученым протестировать 35 миллионов потенциальных молекул лекарств против нескольких белков оспы, чтобы выявить перспективных кандидатов для разработки методов лечения. За первые 72 часа было получено 100 000 результатов. К завершению проекта было определено 44 многообещающих кандидата в лекарственные препараты. Основываясь на успехе исследования по оспе, 16 ноября 2004 года IBM объявила о создании World Community Grid с целью создания технической платформы для обработки других гуманитарных исследований. Поддержка операционных систем Mac OS и Linux была добавлена после внедрения BOINC. В 2007 году World Community Grid перешла с Grid MP на BOINC для всех поддерживаемых платформ. В сентябре 2021 года IBM объявила о передаче прав собственности на World Community Grid исследовательскому институту Крембиля. Полный процесс передачи займет несколько месяцев.
Операция
Программное обеспечение World Community Grid использует неиспользуемое время вычислений подключенных к Интернету устройств для проведения исследовательских расчетов. Пользователи устанавливают клиентское программное обеспечение WCG на свои устройства. Это программное обеспечение работает в фоновом режиме, используя свободные системные ресурсы для обработки задач для WCG. Когда задача или рабочий блок завершены, клиентское программное обеспечение отправляет их обратно в WCG через Интернет и загружает новый рабочий блок. Для обеспечения точности серверы WCG рассылают несколько копий каждой задачи. Затем, когда результаты получены, они собираются и взаимно проверяются. World Community Grid предлагает множество гуманитарных проектов, объединенных общей платформой. Пользователи по умолчанию включены в определенные проекты, но могут отказаться от участия в любых проектах по своему усмотрению. Хотя WCG использует клиентское программное обеспечение с открытым исходным кодом, сами приложения, выполняющие научные расчеты, могут быть проприетарными. Однако, некоторые из научных приложений доступны по свободной лицензии, хотя исходный код не предоставляется непосредственно WCG.
Потенциальные проблемы
Программное обеспечение World Community Grid увеличивает загрузку процессора, используя неиспользованное время вычислений; в конце 1990-х и начале 2000-х годов подобные вычисления были направлены на уменьшение "неиспользованных" тактов процессора. С современными процессорами, где широко распространено динамическое изменение частоты, увеличение загрузки приводит к работе процессора на более высокой частоте, что увеличивает энергопотребление и нагрев, противореча управлению питанием. Кроме того, в связи с растущим вниманием к энергоэффективности, или производительности на ватт, подключение старых/неэффективных компьютеров к сети увеличит общую/среднюю мощность, необходимую для выполнения одних и тех же вычислений. Клиент BOINC предотвращает замедление работы компьютера, используя различные ограничения, которые приостанавливают вычисления при недостаточном количестве свободных ресурсов. В отличие от других проектов BOINC, World Community Grid устанавливает параметры BOINC по умолчанию консервативно, что делает вероятность повреждения компьютера крайне низкой. Значение ограничения загрузки процессора по умолчанию – 60%. Ограничение имеет грубую настройку; например, при установке загрузки в 60% процессор будет работать на 100% в течение 3 секунд, а затем на 0% в течение 2 секунд, что приведет к среднему снижению использования процессора. Дополнительная программа для компьютеров под управлением Windows – TThrottle – может решить проблему перегрева, напрямую ограничивая использование ресурсов хост-компьютера проектом BOINC. Она делает это, измеряя температуру процессора и/или графического процессора и соответствующим образом регулируя время работы. Она также использует более короткое время переключения – менее одной секунды, что приводит к меньшему изменению температуры при переключении.
Статистика и конкуренция
Вклады каждого пользователя регистрируются, а статистика вкладов пользователей находится в открытом доступе. По завершении рабочей единицы клиент BOINC запрашивает количество баллов, которое, по его мнению, он заслуживает, основываясь на результатах программных тестов (см. BOINC Credit System#Cobblestones). Поскольку для обеспечения точности одну и ту же рабочую единицу обрабатывают несколько компьютеров, серверы World Community Grid могут анализировать баллы, заявленные каждым из них. Серверы WCG отбрасывают статистические выбросы, усредняют оставшиеся значения и начисляют полученное количество баллов каждому компьютеру. В рамках сети пользователи могут объединяться в команды, созданные организациями, группами или отдельными лицами. Команды способствуют укреплению чувства общности и могут стимулировать соревнование. По мере того, как команды соревнуются друг с другом, общий объем выполненной работы для сети увеличивается.
Оказание помощи
World Community Grid признает компании и организации партнерами, если они продвигают WCG в своей компании или организации. По состоянию на апрель 2021 года у WCG было 452 партнера. Кроме того, в рамках своей приверженности улучшению здоровья и благополучия людей, результаты всех вычислений, выполненных в World Community Grid, публикуются в общественном достоянии и доступны научному сообществу. Это открытие, сделанное при поддержке волонтеров WCG, является позитивным шагом на пути к новому лечению. Проект объявил о стремлении к сотрудничеству с фармацевтической компанией для разработки соединений в лекарственные препараты. Учитывая успех проекта, ученые заявили, что уже планируют продолжение проекта, который будет сосредоточен на других детских онкологических заболеваниях, возможно, в сотрудничестве с недавно созданной пан-азиатской онкологической группой, одним из основателей которой они являются. По состоянию на июль 2012 года проект Human Proteome Folding Project опубликовал несколько статей с использованием данных из WCG. Среди них – статья о методах валидации и новой базе данных прогнозирования структуры и функции белков; статья об идентификации белков, регулирующих процессы в организме человека; статья об анализе геномов пяти семейств растений и их протеомов, для создания которых WCG использовался для генерации более 29 000 белковых структур; статья о протеоме Saccharomyces cerevisiae. В рамках проекта GO Fight Against Malaria было обнаружено несколько молекул, эффективных против малярии и лекарственно-устойчивого туберкулеза (включая мультирезистентный туберкулез, для которого нет доступного лечения). В рамках проекта также тестировались новые молекулы против MRSA, филяриатоза и бубонной чумы. Лабораторные испытания продолжаются для преобразования этих молекул в потенциальные методы лечения. GFAM также был первым проектом, выполнившим миллиард различных расчетов докинга. В январе 2015 года была опубликована статья, еще две находятся на рассмотрении. В июне 2015 года проект сообщил, что из двух "попаданий", обнаруженных против лекарственно-устойчивого штамма туберкулеза, было синтезировано несколько "аналогов", лучший из которых ингибирует рост Mycobacterium tuberculosis и относительно нетоксичен для клеток млекопитающих. Однако в обновлении от октября 2018 года исследовательская группа сообщила, что ни один из их текущих дизайнов не привел к созданию высокоэффективного ингибитора протеазы денге, который можно было бы протестировать in vivo. В июне 2013 года проект Clean Energy Project опубликовал базу данных, содержащую более 2,3 миллиона органических молекул, свойства которых были охарактеризованы. Из них 35 000 молекул продемонстрировали потенциал для удвоения эффективности органических солнечных элементов, производимых в настоящее время. До этого ученые знали лишь о нескольких материалах на основе углерода, способных эффективно преобразовывать солнечный свет в электричество. В феврале 2010 года ученые проекта FightAIDS@Home объявили, что они обнаружили два соединения, которые делают возможным создание потенциально нового класса лекарств для борьбы со СПИДом. Эти соединения прикрепляются к вирусу в недавно обнаруженных участках связывания и, таким образом, могут быть использованы для "улучшения существующих методов лечения, лечения лекарственно-устойчивых штаммов заболевания и замедления развития лекарственной устойчивости вируса". В июле 2015 года проект Drug Search for Leishmaniasis объявил, что он протестировал 10 лучших соединений с наивысшей прогнозируемой эффективностью из более чем 100, идентифицированных с помощью рабочих единиц WCG. Из этих 10, 4 показали "положительные результаты" в испытаниях in vitro, а одно продемонстрировало "исключительно многообещающий результат". В августе 2017 года in vivo тестирование 4 соединений на хомяках показало благоприятные результаты, причем одно соединение вызвало "почти полное излечение поражений у двух из пяти хомяков". Однако в обновлении от марта 2018 года исследовательская группа объявила, что ни одно из 10 протестированных соединений не обладает достаточной активностью против лейшманиоза. В июле 2015 года проект Computing for Clean Water объявил, что в журнале Nature Nanotechnology была опубликована статья, описывающая новый тип фильтра для воды, эффективно использующий нанотрубки. "Нанотрубки состоят из одноатомных слоев атомов углерода, называемых графеном, свернутых в крошечные трубки диаметром всего несколько нанометров – одна десятитысячная диаметра человеческого волоса. Размер трубок позволяет молекулам воды проходить сквозь них, но блокирует более крупные патогены и загрязнители, очищая воду". Путем проведения моделирования в WCG ученые обнаружили, что определенные виды естественных колебаний, называемых фононами, при определенных условиях могут привести к увеличению потока воды через нанотрубки более чем на 300% по сравнению с предыдущими теоретическими прогнозами. В апреле 2015 года ученые проекта Say No To Schistosoma сообщили, что был проведен последующий анализ и были идентифицированы три наиболее перспективных кандидата для испытаний in vitro. В марте 2019 года исследователи FightAIDS@Home опубликовали статью, описывающую "Новое межсубъединичное взаимодействие, критически важное для сборки ядра ВИЧ-1", которое "определяет потенциально таргетируемый карман связывания ингибитора". С использованием World Community Grid более 1,6 миллиона соединений были использованы для воздействия на 20 конформаций этого кармана. Предварительные результаты указывают на то, что это правдоподобный сайт связывания противовирусных соединений. Дальнейший анализ этих соединений является предметом независимого исследования.
Открытые пандемии - COVID-19
1 апреля 2020 года IBM объявила о запуске OpenPandemics COVID-19. Цель проекта – выявление возможных методов лечения вируса, вызывающего тяжелый острый респираторный синдром 2 (SARS-CoV-2), который является причиной пандемии COVID-19. WCG будет сотрудничать с Scripps Research, с которой уже сотрудничала ранее, в частности, в проектах FightAIDS@Home. Проект работает на центральных и графических процессорах и призван создать инструмент с открытым исходным кодом для быстрого поиска методов лечения будущих пандемий. Запуск проекта состоялся 14 мая 2020 года.
Карта маркеров рака
Картографирование маркеров рака (запущено 8 ноября 2013 года). Цель проекта – выявить маркеры, связанные с различными типами рака, и он анализирует миллионы точек данных, полученных из тысяч образцов тканей здоровых и больных раком пациентов. Среди них – ткани при раке легких, яичников, простаты, поджелудочной железы и молочной железы. Сравнивая эти данные, исследователи стремятся определить закономерности в наборе маркеров для разных видов рака и установить связь между ними и различными исходами, включая чувствительность к различным методам лечения. Проект сосредоточен на четырех типах рака, при этом первоочередное внимание уделяется раку легких, после чего исследования будут направлены на рак яичников, рак предстательной железы и саркому.
Помогите остановить туберкулез
Help Stop TB был запущен в марте 2016 года для борьбы с туберкулезом – заболеванием, вызываемым бактерией, которая вырабатывает устойчивость к существующим методам лечения. Вычисления в рамках этого проекта направлены на изучение микольных кислот, входящих в состав защитной оболочки бактерии, и моделирование поведения этих молекул для лучшего понимания механизмов защиты бактерий.
Разрушить детский рак
Проект Smash Childhood Cancer, запущенный в январе 2017 года, развивает результаты проекта Help Fight Childhood Cancer, проводя поиск лекарственных кандидатов для лечения дополнительных видов детского рака. После выхода доктора Акиры Накагавары на пенсию в марте 2020 года, главным исследователем стал доктор Годфри Чан, один из первоначальных членов команды Smash Childhood Cancer. Кроме того, PRDM14 и Fox01 были добавлены в список новых целей для изучения. Была создана модель ингибитора белка остеопонтина.
Проект "Дожди Африки"
Проект "Дождь в Африке" (запущен в октябре 2019 года) будет использовать вычислительные ресурсы World Community Grid, данные The Weather Company и другие данные для улучшения моделирования выпадения осадков, что поможет фермерам в странах Африки к югу от Сахары успешно выращивать урожай. Объем оперативной памяти, задействованный в расчетах, может составлять от 1 до 16 гигабайт.
Складка протеомы человека Фаза 1
Первым проектом, запущенным на World Community Grid, был Human Proteome Folding Project, или HPF1, целью которого является предсказание структуры человеческих белков. Проект был запущен 16 ноября 2004 года и разработан Ричардом Бонно в Институте системной биологии. В проекте использовались распределённые вычисления для получения наиболее вероятных структур каждого белка с использованием оценки Rosetta Score. На основе этих предсказаний исследователи надеются определить функции огромного количества белков. Углубленное понимание человеческих белков может оказаться решающим в поиске лекарств от человеческих заболеваний. Вычисления для этого проекта были официально завершены 18 июля 2006 года. Результаты исследований, касающихся части HPF1, посвящённой дрожжам, были опубликованы.
Помощь в борьбе с раком
Проект "Помоги победить рак" призван улучшить возможности медицинских специалистов по определению оптимальных вариантов лечения пациентов с раком молочной железы, головы или шеи. Проект был запущен 20 июля 2006 года.
Сравнение генома
Проект по сравнению геномов спонсируется бразильским научно-исследовательским институтом Fiocruz.
Помогает вылечить мышечную дистрофию Фаза 1
Help Cure Muscular Dystrophy управляется Décrypthon, проектом, созданным Французской ассоциацией по борьбе с мышечной дистрофией, Французским национальным центром научных исследований и IBM. Фаза 1 была запущена 19 декабря 2006 года. Этот проект был доступен только агентам, работающим с клиентом Grid MP, и был недоступен пользователям BOINC.
Вместе открываем лекарства от денге
"Открытие лекарств от денге – Вместе" спонсировалось учеными из Университета Техаса и Чикагского университета и будет проходить в два этапа. Первый этап, запущенный 21 августа 2007 года, завершился в июле 2008 года. Второй этап "[использует] более ресурсоемкую вычислительную программу для отбора кандидатов, прошедших первый этап". Кандидаты, успешно прошедшие второй этап, будут подвергнуты лабораторным испытаниям.
Питательный рис для всего мира
Проект "Питательный рис для всего мира" реализуется исследовательской группой по вычислительной биологии Рама Самудралы при Университете Вашингтона. Проект был начат 12 мая 2008 года и завершен 6 апреля 2010 года. 13 апреля 2010 года World Community Grid официально объявила об окончании проекта "Питательный рис для всего мира" 6 апреля 2010 года.
Проект "Чистая энергия"
Проект "Чистая энергия" спонсируется учеными из Департамента химии и химической биологии Гарвардского университета. Миссия проекта "Чистая энергия" – поиск новых материалов для солнечных элементов следующего поколения, а затем – для устройств накопления энергии. Исследователи применяют методы молекулярной механики и расчеты электронной структуры для предсказания оптических и транспортных свойств молекул, которые потенциально могут стать материалами для солнечных элементов нового поколения. Первая фаза была запущена 5 декабря 2008 года и завершена 13 октября 2009 года. Вторая фаза была запущена 28 июня 2010 года. Результаты их исследований были представлены в журнале Energy & Environmental Science.
Помогите бороться с детским раком
Проект Help Fight Childhood Cancer (запущен 13 марта 2009 года). Миссия проекта Help Fight Childhood Cancer – найти лекарственные препараты, способные блокировать активность трех специфических белков, связанных с нейробластомой, одного из наиболее распространенных солидных новообразований у детей. Идентификация этих препаратов потенциально может значительно повысить излечимость заболевания в сочетании с химиотерапевтическим лечением.
Поиск противовирусных препаратов против гриппа
Проект по поиску противовирусных препаратов против гриппа спонсируется доктором Стэном Ватуичем и его исследовательской группой из Медицинского отделения Техасского университета (Гальвестон, штат Техас, США). Проект был запущен 5 мая 2009 года и завершен 22 октября 2009 года. Первая фаза проекта "Поиск противовирусных препаратов против гриппа" уже завершена 22 октября 2009 года. В настоящее время исследователи проводят постобработку результатов, полученных на первой фазе, и готовятся ко второй фазе.
Помогает вылечить мышечную дистрофию Фаза 2
Всемирная сеть сообществ и исследователи, поддерживаемые Decrypthon – партнерством между AFM (Французской ассоциацией по борьбе с мышечной дистрофией), CNRS (Французским национальным центром научных исследований), Университетом Пьера и Марии Кюри и IBM – изучали взаимодействия между белками для более чем 2200 белков, чьи структуры известны, с особым вниманием к белкам, играющим роль в нейромышечных заболеваниях. Вторая фаза проекта "Помощь в лечении мышечной дистрофии" началась 12 мая 2009 года после анализа результатов первой фазы. Фаза 2 выполнялась на платформе BOINC.
Phase 2 of the Help Cure Muscular Dystrophy project began once the results from the first phase had been analyzed. Phase 2 ran on the BOINC platform.
Компьютерные технологии для чистой воды
Компьютерные технологии для чистой воды (запущен 20 сентября 2010 г. 25 апреля 2014 г. ученые проекта сообщили об обновлении, заявив, что у них есть многообещающие результаты, о которых они сообщат после публикации статьи, и что работа над проектом WCG завершена.
Скажите "нет" шистозоме
Say No to Schistosoma (запущен 22 февраля 2012 года) По состоянию на апрель 2015 года был проведен дополнительный анализ, в результате которого были выявлены три наиболее перспективных вещества-кандидата для проведения in vitro тестов. Проект был запущен 17 апреля 2012 года.
Вместе мы победим Эболу
Outsmart Ebola Together – это сотрудничество с Исследовательским институтом Скриппса, направленное на поиск химических соединений для борьбы с болезнью, вызываемой вирусом Эбола. Проект был запущен 3 декабря 2014 года. Его целью было блокирование ключевых этапов жизненного цикла вируса путем выявления лекарственных препаратов с высокой степенью связывания с определенными его белками. Было определено два объекта для разработки лекарств: поверхностный белок, используемый вирусом для инфицирования человеческих клеток, и "трансформаторные" белки, изменяющие свою форму для выполнения различных функций. Проект официально завершился 6 декабря 2018 года.
ОткрытьZika
OpenZika был запущен 18 мая 2016 года для борьбы с вирусом Зика. Проект направлен на белки, которые, как считается, необходимы вирусу Зика для выживания и распространения в организме, основываясь на известных данных об аналогичных заболеваниях, таких как лихорадка денге и желтая лихорадка. Эти данные помогут исследователям в разработке лекарства от Зики. Проект официально завершился 13 декабря 2019 года.
Бороться с СПИДом в домашних условиях
FightAIDS@Home (запущен 19 ноября 2005 г.) В настоящей статье объясняется, что полученные к этому моменту результаты будут в основном использованы для повышения эффективности будущих вычислений FightAIDS@Home.
2-я фаза "Борьба с СПИДом в домашних условиях"
Файт-АЙДС@Дома Фаза 2 (запущена 30 сентября 2015 года) более детально анализирует результаты Фазы 1. Проект преследует две цели в ходе первых экспериментов: проверка корректной работы архитектуры моделирования и получения надежных результатов, а также подтверждение того, что совместное использование BEDAM и AutoDock обеспечивает лучшие результаты, чем использование BEDAM или AutoDock по отдельности.
Проект по иммунитету микробиома
Проект «Иммунитет микробиома» (запущен в августе 2017 года) – это исследование белков в бактериях, обитающих в и на человеческом теле; человеческий микробиом, состоящий примерно из 3 миллионов отдельных бактериальных генов. Изучая гены бактерий, можно определить их индивидуальную структуру, а каждая структура определяет функцию бактерии. Партнерами проекта являются Калифорнийский университет в Сан-Диего, Институт Брода Массачусетского технологического института и Гарвардского университета, а также Институт Флатайрона Фонда Саймонса.