Massively Distributed Computing Virtual Screening on a Desktop Grid

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COMPUTACION
MASIVAMENTE
DISTRIBUIDA:
VIRTUAL SCREENING
EN UN DESKTOP
GRID
 
Antony Arturo García
Pérez -
Gerardo Altamirano
Licenciatura en Ciencia de datos
Computación de alto
rendimiento
8 de diciembre de
2021
1
INSTITUTO
POLITECNICO
NACIONAL - UPIIC
AGENDA DE HOY
Hoy hablaremos sobre:
Necesidades
computacionale
s en el
descubrimiento
de nuevas
medicinas
01
Utilización
de Grid
technology
en las
ciencias
químicas
02
Que es el
Screening
Virtual
03
Tipos de
Screening
Virtual
04
Potencial
herramienta
en América
Latina
05
Conclusiones
06
2
PARTE I
Necesidades
computacionales del
descubrimiento de nuevas
medicinas
3
¿CUÁLES SON LAS
NECESIDADES
COMPUTACIONALES
EN EL
DESCUBRIMIENTO DE
NUEVAS MEDICINAS?
Con la reciente finalización de la secuenciación del
genoma humano, el genoma del ratón y muchos
otros genomas, la computación se ve cada vez más
como una herramienta crítica en las primeras etapas
del descubrimiento de fármacos.
La identificación continua de nuevas terapias es
fundamental para la salud pública y es objeto de
importantes inversiones por parte de grandes
empresas farmacéuticas, empresas de biotecnología
y empresas de capital de riesgo. 4
¿QUÉ TAN BUENO
ES EL MERCADO
DE MEDICINAS?
Se espera que el mercado de
investigación en ciencias de la vida
para tecnología de la información
(excluida la atención médica)
crezca a $ 9 mil millones para
2003. Estas inversiones se basan
en la importancia crítica de la
tecnología de la información como
método de descubrimiento y
evaluación de nuevos compuestos
farmacológicos.
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Además del crecimiento Exponencial de la
información genómica, la cantidad de datos
proteómicos y moleculares disponibles para los
biotecnólogos está creciendo
exponencialmente, duplicándose en tan solo
seis meses a un año.
CRECIMIENTO
EXPONENCIAL
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El crecimiento de los datos es solo uno de
los varios factores que impulsan el rápido
aumento de las demandas
computacionales. Navegar por los datos
se ha convertido en un problema crítico
Se muestra, la base de datos GenBank del Centro
Nacional de Información Biotecnológica (NCBI)
duplica su tamaño cada 12 meses
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PARTE II
Utilización de Grid technology en las ciencias químicas
8
RAZONES POR LAS
QUE SE EMPIEZA A
UTLIZAR LA GRID
TECHNOLOGY
Los investigadores farmacéuticos
necesitan acceder a más datos que en el
pasado y realizar más cálculos sobre esos
datos.
HAY QUE
CAMINAR HACIA
LO NUEVO
Aunque las técnicas modernas de
química combinatoria y el cribado de
alto rendimiento permiten sintetizar y
analizar un gran número de moléculas
aún persisten limitaciones
significantes en razon al tiempo y a los
recursos encontrados dentro de los
laboratorios
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Virtual Screening es la
respuesta a esto
El virtual Screening permite identificar un
conjunto focalizado de compuestos,
seleccionados en función de sus
propiedades y las del receptor objetivo, y
conduce a una mayor tasa de aciertos en
el bioensayo.
Desafortunadamente, el tamaño del
problema computacional es grande y la
cantidad de compuestos involucrados es
enorme.
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Virtual Screening es la
respuesta a esto
Los requisitos para el Virtual Screening
ciertamente se pueden abordar
mediante la construcción de
instalaciones informáticas centrales más
grandes.
Sin embargo, estas instalaciones son
extremadamente caras y, a menudo, no
están diseñadas para la tarea específica
en cuestión.
Otro enfoque consiste en emplear
sistemas informáticos especializados de
alto rendimiento. Sin embargo, estos
sistemas requieren una inversión
considerable en tecnologías de
interconexión y empaquetado
especializadas y, por lo tanto, estos
sistemas se reservan comúnmente para
problemas que requieren un alto
rendimiento entre procesadores.
La computación Desktop Grid
proporciona una buena solución para los
problemas de detección virtual. Estos
problemas no requieren un alto
rendimiento de interprocesador, y un
Grid de escritorio puede ofrecer una
potencia de cálculo significativamente
mayor que un servidor de cálculo central.
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PARTE III
Necesidades
computacionales del
descubrimiento de nuevas
medicinas
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El universo de estructuras químicas
teóricas sintéticamente accesibles se
calcula actualmente en 10100
compuestos. La Química Medicinal y
la Industria Farmacéutica
internacional en particular, ante la
necesidad de aportar nuevos
fármacos, han desarrollado
herramientas para explorar ese
universo virtualmente infinito de
compuestos químicos conocidos.
Entre esas herramientas encontramos
el Screening Virtual (SV)
¿QUE ES EL
SCREENING
VIRTUAL?
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Como un conjunto de técnicas
computacionales orientadas a seleccionar, de
entre grandes bases de datos de compuestos
químicos
Con la finalidad de:
Que aquellos que presenten mayor
probabilidad de poseer una actividad
biológica específica al tiempo que reúnen las
características estructurales necesarias para
exhibir un perfil farmacocinético adecuado
Screenshots del docking de la bencil
sulfamida con la isoenzima II de la
anhidrasa carbónica.SCREENING VIRTUAL
SE DEFINE COMO
La mayoría de las estructuras disponibles
corresponden a proteínas solubles en agua
(especialmente enzimas), debido a las
dificultades intrínsecas asociadas a la
obtención de estructuras cristalinas/RMN
de proteínas de membrana, tales como
receptores y canales iónicos
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Basado en superposición.
Considera la geometría molecular. Posibilidad
de tener en cuenta diferencias de actividad
entre isómeros ópticos. Alto costo
computacional
Basado en descriptores 3D. 
Considera la geometría molecular. Posibilidad
de tener en cuenta diferencias de actividad
entre isómeros ópticos.Alto costo
computaciona.
Basado en descriptores 2D.
Bajo costo computacional; la eficiencia de las
metodologías permite aplicarlas en tiempos
razonables a bases de datos de millones de
estructuras.
TIPOS DE
VIRTUAL
SCREENING
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Llamamos a cada invocación del binario de
acoplamiento en una pieza de base de
datos compuesta y al receptor de
proteína como un "subtrabajo" y al
acoplamiento de toda la base de datos de
compuestos contra el receptor de
proteína el "trabajo". También escribimos
una segunda pieza de código que combina
las clasificaciones resultantes en una
clasificación final única para todo el
trabajo. La integración de la aplicación
tomó aproximadamente dos horas. El
funcionamiento de esta aplicación
integrada se muestra en la Figura 11.2.
USO DEL GRID TECHNOLOGY
EN DOCKING
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https://docs.google.com/spreadsheets/d/1DUF2isFWsqVSYhbaACYtbgcLi_YjDqpE3GLQIVgkKQg/edit#gid=69851113
Pese a contar con profesionales
calificados ya la continua expansión
del mercado farmacéutico local, el
desarrollo farmacéutico en
AméricaLatina se concentra,
fundamentalmente, en desarrollo
galénico
POTENCIAL
HERRAMIENTA EN
AMÉRICA LATINA
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AMÉRICA LATINA
NECESITA HACERSE
NOTAR
siendo marginales los esfuerzos
centrados en la investigación y
desarrollo(I&D) de nuevos fármacos. El
97% de la inversión en I&D se concentra
en los países desarrollados, hecho que
se refleja en el escaso númerode nuevos
fármacos para el tratamiento de
enfermedades tropicales introducidos
en el mercado farmacéutico mundial
entre 1975 y 1999: tansólo 20 sobre un
total de 1393
Aunado a esto, lamentablemente, la
mayor participación de América
Latinaen las actividades de I&D de
nuevas entidadesterapéuticas consiste
en la participación de pacientes de la
región en ensayos clínicos de compañías
internacionales
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CAMBIO DE IDEA
En este escenario, un cambio cultural en
lapolítica de inversión del sector
farmacéutico de América Latina sería
crítico para el desarrollo humano y
económico en nuestra región,
atendiendo a las necesidades sanitarias
de la población local y participando de
un mercado mundial que asciende a
607.900 millones de dólares anuales 
El SV constituye una herramienta poco
conocida y explotada en nuestra región,
que no obstante presenta ventajas
considerables en el escenario
latinoamericano. 
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BENEFICIOS DE
SCREENING VIRTUAL
Entre ellas, su bajo costoy la posibilidad de obtener
patentes de segundos usos médicos
(patentamiento del uso de un fármaco X ya
aprobado para el tratamiento de la patología Y en
el tratamiento de una segunda patología Z) con
una inversión relativamente pequeña en ensayos
preclínicos y clínicos.
Esta posibilidad es atractiva si se tiene en cuenta que el proceso de
desarrollo de un nuevo fármaco es largo (12-13 años) 20
La Screening
Virtual es una
herramienta
relativamente
nueva
Necesitamos
tener una
mayor cultura
en nuestras
políticas de
inversión 
Antes no era tan
accesible como
ahora
Estas
tecnologías no
están tan lejos
de nosotros
(IPN)
Nada de esta
accesibilidad
podría
obtenerse si no
fuera por el
computo de alto
rendimiento.
RESUMEN
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¡MUCHAS GRACIAS!
Referencias: 
Alan TALEVI & Luis E. BRUNO-BLANCH. (2019). Screening Virtual: Una Herramienta Eficaz para el Desarrollo
de Nuevos Fármacos en Latinoamérica. Consultado: 07 de diciembre de 2021. de:
http://www.latamjpharm.org/trabajos/28/1/LAJOP_28_1_3_3_J265RVM5LP.pdf
Schneider, G. & S.S. So (2002) “A conceptual framework”, en “Adaptive systems in drug design” (G. Schneider
& S.S. So, eds.), Landes Bioscience, Georgetown, Texas, Estados Unidos, págs. 3-31.
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