Nuove prospettive e sfide computazionali nella ricerca biomedica

Nuove prospettive
e sfide computazionali
nella ricerca biomedica
Angelo Facchiano
ISA - CNR
19 Dicembre 2007, CNR, Napoli
La ricerca biomedica è intesa come l’insieme degli
studi, anzitutto in campo biologico e medico ma per
estensione in qualunque altro ambito, finalizzati
all’avanzamento nella conoscenza dei processi
biologici nei sistemi viventi, in condizioni fisiologiche e
patologiche, avendo come fine ultimo la salute
dell’uomo.
Felson's law:
To steal ideas from one person is plagiarism; to steal from many is research.
Lo scenario della ricerca biomedica
Si modifica continuamente, in base alle nuove
necessità e alle nuove tecnologie disponibili, che
rendono possibili esperimenti ritenuti improbabili
fino a poco tempo prima.
Ma al tempo stesso, lo sviluppo rende rapidamente
obsolete le strumentazioni e le competenze
acquisite.
I fondi per la ricerca dovrebbero aumentare nel
tempo …
Una prima sfida:
Riuscire a capire i veri obiettivi della ricerca biomedica
Sono estremamente variabili, apparentemente dipendenti
dall’opinione pubblica.
Esempi:
- Influenza aviaria
- Variante umana della BSE (mucca pazza)
- Patologie cardio-vascolari
- Tumori
- Malattie genetiche
L’aumento nel tempo dell’età media della popolazione porta ad
una maggiore incidenza delle patologie tipiche dell’età avanzata.
Una seconda sfida:
è possibile disporre di sempre più strumenti, sempre
più potenti, possibilmente con costi ragionevoli …
… e saperli usare nel modo corretto ?
Progresso (e regresso) nelle conoscenze
There are 26 vitamins in all, but some of the letters are yet to be discovered.
-- Fifth- or sixth- grader science exams answer –
L’evoluzione delle tecnologie nei
laboratori di ricerca
Un po’ di anni fa, in un laboratorio biochimico:
y
x
Oggi, nello stesso laboratorio (o in quello accanto):
350000
300000
250000 350000
200000 300000
150000 250000
300000
100000 200000
250000
50000 150000
300000
200000
0 100000
250000
150000
1 50000
45 89 133 177 221 265 309 353 300000
397 441 485 529 573 617 661
200000
100000
0
250000
1
150000
45 89 133 177
221 265 309 353 397 441 485 529 573 617 661
50000
200000
100000
0
150000
1 50000
41 81 121 161 201 241 281 321 361 401 441 481 521 561 601 641
100000
0
1
41
81 121 161 201 241 281 321 361 401 441 481 521 561 601 641
50000
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Le nuove tecnologie producono grandi quantità di
dati sperimentali; gli strumenti informatici e la
potenza di calcolo permettono di analizzare questi
dati e interpretarli.
L’insieme delle nuove tecniche sperimentali e degli
strumenti computazionali ha reso possibile progetti
di grande rilevanza.
HGP vs Celera Genomics HGP
HGP è formalmente iniziato nel 1990.
Finanziato con 3 miliardi di dollari, si prevedevano 15 anni di
tempo per completarlo.
I principali annunci del raggiungimento di “milestone” del
progetto si sono avuti nel 2000, 2003, 2006.
Celera Genomics HGP è formalmente iniziato nel 1998.
Finanziato con 300 milioni di dollari, ha raggiunto i risultati più
o meno contemporaneamente con il progetto del consorzio
pubblico.
Cosa ha fatto la differenza?
Più fattori, tra cui la bioinformatica
IBM Announces $100 Million Research Initiative to
build World's Fastest Supercomputer
"Blue Gene" to Tackle Protein Folding Grand Challenge
YORKTOWN HEIGHTS, NY, December 6, 1999 -- IBM today announced a new $100
million exploratory research initiative to build a supercomputer 500 times more powerful
than the world’s fastest computers today. The new computer -- nicknamed "Blue Gene"
by IBM researchers -- will be capable of more than one quadrillion operations per
second (one petaflop). This level of performance will make Blue Gene 1,000 times more
powerful than the Deep Blue machine that beat world chess champion Garry Kasparov
in 1997, and about 2 million times more powerful than today's top desktop PCs.
Blue Gene's massive computing power will initially be used to model the folding of
human proteins, making this fundamental study of biology the company's first computing
"grand challenge" since the Deep Blue experiment. Learning more about how proteins
fold is expected to give medical researchers better understanding of diseases, as well
as potential cures.
"This is exactly what IBM Research does best -- continuously placing big, aggressive
bets on technologies that change the future of computing," said Dr. Paul M. Horn, senior
vice president of IBM Research. "In many ways, Deep Blue got a better job today -- if
this computer unlocks the mystery of how proteins fold, it will be an important milestone
in the future of medicine and healthcare."
IBM and Department of Energy’s NNSA Partner to
Expand IBM's Blue Gene Research Project
New class of supercomputers to be extended to a multitude of applications
Yorktown Heights, N.Y., and Livermore, Calif., November 9, 2001 ... IBM today
announced a partnership with the Department of Energy’s National Nuclear Security
Agency to expand IBM’s Blue Gene research project.
IBM and NNSA’s Lawrence Livermore National Laboratory will jointly design a new
supercomputer based on the Blue Gene architecture. Called Blue Gene/L, the
machine will be 15 times faster, consume 15 times less power per computation and
be 50 to 100 times smaller than today’s fastest supercomputers.
Blue Gene/L is a new member of the IBM Blue Gene family, marking a major
expansion of the Blue Gene project. Blue Gene/L is expected to operate at about
200 teraflops (200 trillion operations per second) which is larger than the total
computing power of the top 500 supercomputers in the world today.
IBM will continue to build a petaflop-scale (one quadrillion operations per second)
machine for a range of projects in the life sciences, originally announced in
December 1999.
http://folding.stanford.edu/
Riassumendo:
Quali strumenti ? Con quali competenze ? Per studiare cosa ?
Henry Louis Gehrig
New York City, 19-6-1903 New York City, 2-6-1941
Lou Gehrig's Disease
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS),
more commonly called Lou Gehrig's
disease after the Yankee ballplayer that
was diagnosed with the disease. ALS is
a degenerative nerve disease that causes
the upper and lower motor neurons to
die. The result is a loss of muscle control
and muscle itself.
Angelo Facchiano
Laboratorio di Bioinformatica e Biologia Computazionale
Istituto di Scienze dell’Alimentazione, CNR, Avellino
[email protected]
Per informazioni sulle attività del Laboratorio:
http://bioinformatica.isa.cnr.it/
Grazie per l’attenzione!