Proyecto World Community Grid automatiza un tedioso proceso para determinar si ciertas muestras de proteínas están listas para el análisis por rayos X
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Los científicos han inventado una forma de automatizar y acelerar un proceso manual y complejo que permite a los investigadores descubrir con más facilidad la estructura de proteínas relacionadas con el cáncer, con miras a llegar a formular curas para esta enfermedad con el tiempo. Este enfoque nuevo y automatizado también puede resultar útil para explorar otras dolencias y para promover avances en la investigación relacionada con los alimentos.
El revolucionario descubrimiento anunciado hoy es obra del proyecto Help Conquer Cancer, desarrollado en conjunto con IBM y World Community Grid, un sistema que conecta computadoras personales de voluntarios que donan la potencia de procesamiento excedente de sus máquinas a causas humanitarias. World Community Grid, patrocinada por IBM, ofrece a los investigadores del mundo entero el equivalente de millones de dólares de potencia computacional gratuita para hacer posible la investigación médica, nutricional, energética y ambiental.
Aprovechando la potencia de World Community Grid (WCG) el proyecto Help Conquer Cancer creó un sistema que reconoce en forma precisa el momento en que las muestras de proteínas pasan por un proceso de solidificación llamado cristalización, que hace que las proteínas estén listas para ser reexaminadas utilizando rayos x especiales. El proceso es necesario para identificar y al fin de cuentas explorar cómo la estructura, forma e interacción de algunas proteínas pueden influir en la formación del cáncer.
Usando WCG, los científicos entrenaron al sistema para reconocer exitosamente 80% de las imágenes que tienen cristales y 98% de las gotas traslúcidas de solución proteica que existían antes de la cristalización. Esto permite examinar el séxtuple de imágenes por proteína en comparación con la revisión realizada por humanos, y en mucho menos tiempo.
Automatizar la identificación de cristales podría acelerar la investigación en numerosos proyectos dedicados a la investigación genética y la ciencia biológica, ya que la cristalización ofrece la llave para investigar una variedad de procesos biológicos. También podría validar los esfuerzos de otros proyectos que buscan obtener estructuras proteicas, tales como Nutritious Rice for the World, que también utiliza WCG para explorar formas de crear cepas de arroz más resistentes y saludables.
Un artículo sobre este descubrimiento revolucionario, elaborado por los investigadores principales del proyecto Help Conquer Cancer, se publicó recientemente en el Journal of Structural and Functional Genomics (http://www.springerlink.com/content/750430466h336142/fulltext.pdf).
La cristalización permite que los rayos x bombardeen la muestra y difracten luz en muchas direcciones, produciendo un perfil tridimensional, con lo cual resulta más fácil estudiar las muestras. Sin embargo, el proceso de cristalización es tedioso: una sola muestra de proteínas puede requerir miles de intentos por estimular la cristalización introduciendo compuestos químicos por robot. Y hasta ahora, se necesitaba la observación humana meticulosa para verificar que los cristales realmente se formaran.
La cristalización es clave
La cristalografía por rayos x ha desempeñado un papel clave en muchos esfuerzos científicos. Por ejemplo, se utilizó a mediados del siglo XX para ayudar a determinar la forma del ADN. Las proteínas no son las únicas sustancias que pueden formar cristales para facilitar su estudio y desarrollo; los científicos utilizan la cristalografía por rayos x sobre metales, minerales y semiconductores.
“Este avance ilustra una vez más el enorme valor que World Community Grid ofrece al campo científico,” comentó Dr. Igor Jurisica, científico senior del Instituto del Cáncer de Ontario, que además es Profesor Adjunto en los departamentos de ciencia de computación y biofísica médica de la Universidad de Toronto, científico visitante en el Centro IBM para Estudios Avanzados y presidente de Canada Research en biología computacional integrativa. “Las personas que donaron ciclos de cómputo excedentes de sus procesadores de PC deberían estar muy orgullosas por su aporte, que hizo posible este desarrollo."
“Avances como éste nos hacen sentir privilegiados en IBM por estar en condiciones de apoyar el programa World Community Grid y el trabajo de los muchos científicos que utilizan este sistema,” señaló Dr. Joseph Jasinski, Ingeniero Distinguido y Director de Programas del Instituto de Salud y Ciencias de Vida de IBM. “Estamos seguros de que el adelanto anunciado hoy demostrará ser una contribución valiosa que permitirá formas de entender la enfermedad.”
Aproximadamente 13% de todas las muertes humanas en 2007 se atribuyen al cáncer, según la Organización Mundial de la Salud. El grupo comenta que hubo 12,7 millones nuevos casos de cáncer y 7,6 millones de muertes por cáncer en 2008. En 20 años, la cantidad de nuevos casos de cáncer diagnosticados anualmente aumentará a 21 millones, que ocasionarán 13 millones de muertes por cáncer.
Una variedad de proyectos potenciados por WCG
El proyecto Help Conquer Cancer, (http://www.worldcommunitygrid.org/research/hcc1/overview.do) se lanzó en WCG el 1 de noviembre de 2007, bajo los auspicios del Instituto del Cáncer de Ontario en el Princess Margaret Hospital de la University Health Network en Toronto, Canadá, y en el Instituto de Investigación Médica Hauptman-Woodward de Buffalo, Nueva York.
Desde entonces, los voluntarios afiliados a WCG han contribuido 50.981 años de CPU al proyecto del cáncer, un promedio de 54 años de computación por día, a la causa de ayudar a identificar y mapear el archivo del Instituto Hauptman-Woodward de 100 millones de imágenes de 12,500 proteínas individuales que podrían estar relacionadas con el cáncer, capturadas en el curso de más de 19.2 millones de ensayos realizados en dicho Instituto.
Esto incluye la base de datos más abarcadora sobre la química de una gran cantidad de proteínas, un recurso que ayudara a los investigadores de todo el mundo a develar el misterio sobre el crecimiento de muchos tipos de cáncer, como el de mama, próstata o leucemia infantil.
El análisis por computadora ofrece ventajas tanto cualitativas como cuantitativas. Por ejemplo, no es práctico para humanos revisar las 9,216 imágenes para una proteína dada. E incluso si una persona tratara de evaluar una imagen por segundo, llevaría 1,333 días examinar las 12,500 proteínas bajo estudio. Las evaluaciones humanas también pueden tener grandes variaciones y revelar incoherencias, incluso de la misma persona.
En las etapas iniciales de la automatización del proceso de verificación de la cristalización, las computadoras ofrecían resultados con precisión sólo aproximadamente 70% del tiempo, y podían examinar sólo unos 850 rasgos, en comparación con los 15,000 que ahora pueden analizarse.
Acerca de World Community Grid
Help Conquer Cancer se basa en World Community Grid, una red mundial patrocinada por IBM. Al sumar el tiempo de ciclo no utilizado de 1.5 millones de computadoras personales, donado por cientos de miles de voluntarios en más de 80 países, World Community Grid es la red humanitaria más grande del mundo, tan fuerte como una de las supercomputadoras más potentes del mundo. Tan sólo en el mes de abril de 2010 se agregaron a la red más de 22,000 nuevos dispositivos.
World Community Grid proporciona el equivalente de aproximadamente 180 teraFLOPS de velocidad, o 180 billones de operaciones de punto flotante por segundo. La aplicación Help Conquer Cancer anunciada hoy realiza aproximadamente 80 billones de operaciones de punto flotante por segundo.
Otros proyectos desarrollados por World Community Grid que ya han dado resultados:
- El proyecto Discovering Dengue Drugs Together ha identificado potenciales compuestos antivirales para combatir el dengue y las enfermedades relacionadas.
- Help Fight Childhood Cancer encuentra drogas capaces de desactivar tres proteínas asociadas con el neuroblastoma, para que uno de los tumores sólidos mas frecuentes en niños sea más curable.
- Los investigadores del Scripps Research Institute que trabajan en el proyecto FightAIDS@Home recientemente encontraron dos compuestos que conducirán a nuevos tratamientos para cepas de VIH resistentes a los fármacos.
- El proyecto Nutritious Rice for the World completó 12 millones de transacciones computacionales en 11,000 horas de cómputo, en un esfuerzo para obtener cepas de arroz más resistentes y saludables.
- Un esfuerzo para ayudar a curar la distrofia muscular y otras enfermedades neuromusculares
Las personas pueden donar el tiempo de sus computadoras a estos proyectos inscribiéndose en www.worldcommunitygrid.org, e instalando un pequeño programa de software gratuito, inofensivo y seguro en sus computadoras personales, con los sistemas Linux, Microsoft Windows o Mac OS. La computadora solicita datos al servidor de World Community Grid cuando se encuentra ociosa, o entre las pulsaciones de teclas de una tarea liviana, y ayuda a realizar los cálculos de proteínas relacionadas con la investigación del cáncer.
IBM donó el hardware, el software, los servicios técnicos y la especialización para construir la infraestructura para World Community Grid y proporciona hospedaje, mantenimiento y soporte para el programa en forma gratuita.
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