Investigadores simulam uma célula viva em 3D usando o poder das GPUs NVIDIA

Cada célula viva tem um microcosmo composto por milhares de componentes responsáveis pela produção de energia, construção de proteínas, transcrição de genes e muito mais. Compreender como todos os componentes interagem e mudam em resposta a sinais internos e externos ajuda a compreender melhor os fundamentos da vida. É por isso que a simulação realizada por uma equipa da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign utilizando GPUs, especificamente as da NVIDIA, é tão importante.

O grupo de cientistas recriou com sucesso uma simulação 3D que replica as características físicas e químicas de uma célula viva “mínima”, desenvolvendo um modelo totalmente dinâmico que imita o seu comportamento. O estudo foi publicado na revista Cell.

A célula mínima contém um conjunto reduzido de genes essenciais para a sobrevivência, função e replicação. Estas células são mais simples do que as células naturais, tornando-as mais fáceis de recriar digitalmente. “Mesmo uma célula mínima requer 2 mil milhões de átomos”, disse Zaida Luthey-Schulten, professora de química e co-diretora do Centro de Física das Células Vivas da Universidade. “Não se pode fazer um modelo 3D como este numa escala de tempo humana realista sem GPUs”

O modelo baseia-se no uso de GPUs NVIDIA para simular 7000 processos de informação genética durante um período de 20 minutos do ciclo celular, tornando-o no que os cientistas acreditam ser a mais longa e mais complexa simulação celular até à data. Uma vez mais testados e refinados, os modelos celulares completos serão capazes de ajudar os cientistas a prever como as mudanças nas condições ou genomas das células do mundo real irão afetar a sua função.

Para construir o modelo de célula viva, os investigadores de Illinois simularam uma das células vivas mais simples, uma bactéria parasitária chamada mycoplasma. Eles basearam o modelo numa versão reduzida de uma célula micoplasma sintetizada por cientistas no Instituto J. Craig Venter em La Jolla, Califórnia, que tinha pouco menos de 500 genes para a manter viável. Para comparação, uma única célula de E. coli tem cerca de 5.000 genes. Uma célula humana tem mais de 20.000 genes.

A equipa de Luthy-Schulten usou então as propriedades conhecidas do funcionamento interno do micoplasma, incluindo aminoácidos, nucleótidos, lípidos e metabolitos de pequenas moléculas para construir o modelo com ADN, RNA, proteínas e membranas. “Tivemos reações suficientes para podermos reproduzir tudo o que sabíamos”, disse ele.

Usando o software Lattice Microbes, que é capaz de alavancar os núcleos Tensor das GPUs NVIDIA, os investigadore fizeram uma simulação 3D de 20 minutos do ciclo de vida da célula antes que ela começasse a expandir ou replicar substancialmente o seu DNA. O modelo mostrou que a célula dedicou a maior parte da sua energia ao transporte de moléculas através da membrana celular, o que se encaixa no perfil de uma célula parasitária que obtém a maior parte do que precisa para sobreviver de outros organismos.

“Se fizesse estes cálculos em série”, disse Zane Thornburg, autor principal do estudo, “levaria anos” Mas porque todos eles são processos independentes, podemos trazer paralelização para o código ao usar GPUs.

As simulações também permitiram a Thornburg calcular o tempo de vida natural dos RNAs mensageiros, os modelos genéticos para a construção de proteínas. Também revelaram uma relação entre a taxa a que os lípidos e as proteínas da membrana foram sintetizados e as alterações na área de superfície da membrana e no volume celular.

“Simulámos todas as reacções químicas dentro de uma célula mínima, desde o seu nascimento até ao momento em que se dividiu em duas células, duas horas mais tarde”, disse Thornburg. “A partir disto, obtemos um modelo que nos diz como a célula se comporta e como podemos torná-la mais complexa para mudar o seu comportamento”, disse o Professor Luthey-Schulten.

Thornburg está a trabalhar noutro projecto acelerado por GPU para simular o crescimento e divisão celular em 3D. “A equipa adoptou recentemente sistemas NVIDIA DGX e GPUs RTX A5000 para acelerar o seu trabalho”, salienta a NVIDIA, “notando que a utilização de GPUs A5000 melhorou o tempo de simulação em 40% em comparação com uma estação de trabalho com uma GPU NVIDIA de geração anterior”