Mondiaal 3D onderzoek van eiwit dankzij grid computing

*) Onderstaand artikel komt uit Surf Magazine. Hier kunt u een gratis abonnement op nemen.

Moleculen zijn net mensen. Ze staan onderling in contact, reageren op elkaar en soms is er sprake van regelrechte miscommunicatie. Alexandre Bonvin, hoogleraar computationele structuurbiologie aan de Universiteit Utrecht, beschrijft zijn werk als het in kaart brengen van het sociale leven van moleculen.

“We kennen de links tussen moleculen, maar we weten nog weinig van de manier waarop ze in de praktijk met elkaar omgaan,” zegt hij. “Miscommunicatie of te veel communicatie in een netwerk is de oorsprong van veel ziekten.”

Om de netwerken te onderzoeken is veel rekenkracht nodig. Bonvin en zijn collega’s zijn in staat om 3D-beelden van moleculennetwerken te creëren. Dat gebeurt met behulp van Nuclear Magnetic Residence (NMR). NMR gebruikt hetzelfde principe als MRI-scanners in het ziekenhuis. Onderzoekers plaatsen kleine deeltjes, zoals eiwitten of DNA, in een magneetveld en meten de afstanden tussen atomen. Op basis daarvan berekenen ze met computers een 3D-beeld van de moleculen en hun netwerk.

Grid computing

Zeven jaar geleden ontwikkelde de Universiteit Utrecht samen met een aantal Europese NMR-groepen het eNMR-project. Bonvin: “eNMR was bedoeld om de Europese NMR-gemeenschap te dienen. Via een groep uit Padova die gespecialiseerd is in grid computing, raakten we geïntegreerd in de European Grid Infrastructure.”

Grid computing is het koppelen van zware computers in een hoge snelheid netwerk dat grote opdrachten uitvoert. Na het optuigen van de experimentele infrastructuur ontwikkelden de eNMR-onderzoekers allerlei webportals en tools die het gebruik van de infrastructuur makkelijker maakten. Bonvin: “Met ‘voorgekookte oplossingen’ geven we toegang tot heel veel rekenkracht. De computationele infrastructuur die eronder ligt, wordt door Surfsara en de European Grid Infrastructure (EGI) aan ons aangeboden.”

Wereldwijde gemeenschap

De e-infrastructuur en tools van eNMR waren niet alleen interessant voor Europese chemici, biochemici en biologen, maar ook voor onderzoekers buiten Europa. Het vervolgproject WeNMR ontstond vanuit de behoefte om complementaire technieken toe te voegen aan het project, zoals SAXS (small-angle X-ray scattering, de inzet van röntgenstraling om eiwitstructuren te analyseren), maar ook om onderzoekers uit de hele wereld toegang te verschaffen tot de virtuele onderzoeksorganisatie. De W in WeNMR staat voor worldwide. Alexandre Bonvin is de coördinator van WeNMR.

De gratis toegang tot de onderzoekstools van WeNMR beperkt zich niet tot onderzoekers. Ook studenten maken er graag gebruik van. Bonvin: “Door hun op een makkelijke manier toegang te geven tot geavanceerde tools kunnen studenten veel meer doen dan een regulier practicum toelaat. Niet alleen hebben ze opeens heel veel rekenkracht tot hun beschikking, maar ook software die hun data valideert en interpreteert. Komen ze er niet uit, dan biedt WeNMR een helpcentre en een virtual research community waarmee ze in contact kunnen treden.”

Maandenlange berekening

Professor Benjamin Chagot van de Franse Université de Lorraine is een professionele gebruiker van WeNMR. Zijn onderzoeksgroep bestudeert de rol van polyketide synthases proteïnen (PKS) in de cellen. Chagot: “Sommige onderzoekers vermoeden dat PKS communicatie tussen bacteriën mogelijk maken. Ze vormen de basis voor een groot aantal medicijnen, waaronder antibiotica en medicijnen tegen kanker. Om nieuwe medicijnen te ontwikkelen, moeten we begrijpen hoe deze grote en complexe proteïnen werken.”

NMR is daarbij onmisbaar. Chagot: “Door NMR kunnen we de atomische structuur bepalen, evenals de interactie in het netwerk.” Ook de rekenfaciliteiten waarvan WeNMR gebruikmaakt, komen van pas. “De WeNMR-server doet een paar dagen over een berekening die op een ‘gewone’ pc weken of maanden zou duren.”

Snellere toegang

Toegang tot WeNMR is niet voor iedereen weggelegd. “Omdat het grid bestaat uit computers van anderen, geldt voor gebruikers een strenge identiteitscontrole,” zegt Bonvin. “We willen dit proces graag eenvoudiger maken.”

Nederlandse onderzoekers krijgen sinds december toegang tot de WeNMR-diensten via Surfconext, op basis van hun instellingsaccount. “Als iemands identiteit bekend is bij zijn instelling, hoeven wij geen zware identiteitscheck meer te doen,” zegt Bonvin.

Via Surfconext is WeNMR toegankelijk voor de Nederlandse community. Door middel van het policy framework van eduGAIN kunnen gebruikers in een groot aantal landen eveneens toegang krijgen. Strenge privacywetten in verschillende Europese landen bemoeilijken de toegang tot diensten die elders worden gehost. Met eduGAIN wordt dat makkelijker: dat zorgt ervoor dat er een internationaal juridisch framework is waardoor uitwisseling van identiteiten volgens binnen vooraf afgesproken (privacy) bepalingen plaatsvindt.