Научно-исследовательская работа (стр. 4 )

  На начальном этапе коллектив лаборатории составляет 27 человек, из них 3 доктора наук, 9 кандидатов, 2 аспиранта  и 6 студентов. 17 сотрудников лаборатории являются молодыми исследователями. Впоследствии в коллективе будет увеличиваться доля аспирантов и штатных сотрудников, а численность лаборатории будет оптимизироваться в соответствии с имеющимися заказами и грантами.

Лаборатория «Наноконструирование мембранно-белковых комплексов для контроля физиологии клетки» под руководством

  С 2010 года возглавляет научную лабораторию «Наноконструирование мембранно-белковых комплексов для контроля физиологии клетки» МФТИ под эгидой междисциплинарного научно-образовательного центра «Бионанофизика», главным направлением исследований которой является тканевая инженерия сердца.

  Глобальная задача лаборатории состоит в создании искусственных тканей, которыми можно заменить поврежденные участки сердца. На данном этапе решается задача создания трехмерный каркас из полимерных нановолокон, выращивания на нем клетки сердца для изучения, их реакций на различные воздействия (лекарства, биологически активные вещества и т. д.). Более далекая перспектива – перепрограммирование собственных клеток пациента, например кожи, в сердечные, чтобы вырастить имплантат, совместимый с организмом человека.

  Тканевая инженерия сердца

Недавние успехи молекулярной и клеточной биологии привели в последнее десятилетие к бурному развитию таких областей науки, как тканевая и клеточная инженерия. Фактически исследователи вплотную подошли к возможности создания тканей организма с заранее определенными свойствами. Стержневым направлением проекта является тканевая инженерия сердца. Выбор данного направления обусловлен тем, что именно отказы в работе сердечно-сосудистой системы являются ведущей причиной смертности в современных индустриально развитых странах.

  Тканевая инженерия сердца разрабатывается в двух основных аспектах.

Во-первых, это создание искусственных патчей сердечной ткани, в перспективе пригодных для имплантации и замены поврежденных участков сердца. Как известно, сердечная ткань высоко структурирована и имеет сложную архитектуру, что обеспечивает надежную функциональность этого важнейшего органа. Структура разрабатываемых патчей определяется каркасом из полимерных нановолокон, каждое из которых способно нести сердечные клетки и направлять их развитие. Возникает своего рода «тканевый конструктор Лего», позволяющий создавать высокоструктурированную и синхронизированно сокращающуюся сердечную ткань. Этот подход является прорывным, так как то, что делалось до сих пор в этом направлении, представляло собой аморфные констракты из гелевых носителей с неопределенными структурно-функциональными характеристиками.

  Вторым аспектом работы является исследование процессов, приводящих к возникновению опаснейших сердечных аритмий, таких, как вращающиеся волны возбуждения, или «реентри», вызывающие дезорганизацию сердечной мышцы с потерей способности поддерживать циркуляцию крови. Понимание фундаментальных механизмов нарушения устойчивости работы сердечной ткани позволяет целенаправленно разрабатывать методы борьбы с ними, как консервативно-медикаментозные, так и бескровно-хирургические (катетерное выжигание эктопических очагов возбуждения или низковольтная дефибрилляция). На этом пути создаваемые тканевые констракты будут призваны служить экспериментальными моделями сердечной ткани, на которых отрабатываются методы борьбы со смертельно опасными аритмиями. Они позволяют минимизировать сложность и комплексность системы до уровня, когда становятся ясными фундаментальные биофизические механизмы, приводящие к дезорганизации сердца. Из недавних успехов работы в этом направлении можно упомянуть разработку веществ, позволяющих производить фотоконтроль сердечной ткани, переводя вещество из биологически активной формы в неактивную и наоборот с помощью облучения светом разных длин волн (http://expert. ru/expert/2009/28/svet_napravlyauschiy_serdce/).

  Существует и третий аспект проекта. В настоящее время в мировой науке успешно разрабатываются методы перепрограммирования клеток, когда дифференцированные клетки возвращаются в состояние так называемой плюрипотентности, близкое по свойствам к состоянию стволовых клеток. Затем эти клетки направленно дифференцируются в клетки заранее определенной ткани. Таким образом, взяв, например, клетки кожи пациента можно «перепрограммировать» их в сердечные. А затем создать имплантируемый патч, полностью иммунно совместимый с организмом донора-реципиента. В рамках этого проекта планируется создать культивированную сердечную ткань из плюрипотентных клеток. По-видимому, это направление станет столбовой дорогой регенерационной медицины в ближайшее десятилетие.

«Лаборатория суперкомпьютерных технологий для биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур» (Intel Super - computer applications Laboratory for advanced research – i – SCALARE)

под руководством

с 2010 г. возглавляет «Лабораторию суперкомпьютерных технологий для биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур» (Intel Super – computer applications Laboratory for advanced research – i – SCALARE), созданную в 2010 г. на базе МФТИ в рамках гранта Правительства России для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по направлению «Разработка программного обеспечения и суперкомпьютерных архитектур для биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур».

  В рамках проекта параллельно ведется деятельность по созданию суперкомпьютера и решению с его помощью прикладных задач. Использование математического моделирования при проектировании суперкластера позволяет точно прогнозировать архитектуру системы и максимально эффективно использовать ее ресурсы.

  Лабораторией были выбраны в качестве приориттных несколько прикладных вычислительных задач, связанных с моделированием вирусов, клеточных мембран, а также взаимодействия белков и внешних полей с клеточными мембранами. Все они, с одной стороны, имеют большую практическую ценность, а с другой – не могут быть решены на имеющихся вычислительных ресурсах и требуют новых подходов к архитектуре кластеров.

  В сотрудничестве с I-SCALARE ученые Института биоорганической химии проводят исследование взаимодействия ряда природных антибиотиков (лантибиотиков) с определенными видами клеточных мембран, что позволит выявить тонкие механизмы действия лантибиотиков и разработать подход к компьтерному конструированию нового класса молекул с заданным спектром антибактериальной активности.

  Под руководством академика и ведущего научного сотрудника совместно с I-SCALARE решается задача по моделированию структуры и молекулярной динамики опасных для человека вирусов типа Flavivirus (например, вируса лихорадки Денге) и процессов их взаимодействия с клетками организма. Изучение этих сложных молекулярных явлений позволит помочь в создании лекарств для лечения опасных вирусных заболеваний – клещевого энцефалита, лихорадки Денге, лихорадки Западного Нила, желтой лихорадки и т. д.

  В проектной группе под руководством Максима Деминского (КИНТЕХ Лаб) разрабатывается интегрированная модель взаимодействия электромагнитного излучения с клеточными тканями для описания процессов образования пор и транспорта через них молекулярных веществ и наноструктур. Для этого методы атомистического моделирования (на основе эмпирической молекулярной динамики) интегрируются с моделями, описывающими распределение электромагнитного поля и температуры в масштабе всей клетки. За прошедшее время группой были решены две сопряженные задачи, которые позволяют вплотную подойти к проблеме предсказания воздействия электромагнитного поля на свойства мембраны клетки.

  Группа компаний РСК, ведущий в России и СНГ разработчик и интегратор «полного цикла» суперкомпьютерных решений нового поколения на основе архитектур корпорации Intel и передового жидкостного охлаждения, в рамках контракта с МФТИ разработала и установила пилотную систему, которая стала основой инновационного вычислительного кластера в лаборатории суперкомпьютерных технологий для биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур I-SCALARE.

Новый суперкомпьютер МФТИ основан на инновационной архитектуре «РСК Торнадо», первом в мире энергоэффективном суперкомпьютерном решении с передовым жидкостным охлаждением для массово доступных стандартных серверных плат на базе процессоров Intel Xeon. Архитектура «РСК Торнадо» обеспечивает гибкость конфигурации вычислительных узлов со стандартными интерфейсами и простоту построения решения, высокую ремонтопригодность (простота замены модулей оперативной памяти и увеличения ее объема, обновление на новые модели процессоров), возможность интеграции с любыми внешними изделиями со стандартными интерфейсами (PCI Express).

  На текущий момент пилотная кластерная система в МФТИ обладает производительностью в 2,5 TFLOPS (триллионов операций в секунду) и состоит из 16 вычислительных узлов, каждый из которых содержит по два наиболее высокопроизводительных процессора Intel Xeon 5680 с тактовой частотой 3,33 ГГц. При этом в ней имеется 36 ГБ оперативной памяти на один узел, система хранения данных емкостью 3 ТБ, а коммуникационная сеть построена на базе высокоскоростного интерфейса Infiniband QDR. Уже в рамках пилотной системы вычислительный кластер обладает следующими уникальными характеристиками:

Простота и высокая надежность;

Экономическая эффективность; Высокая энергоэффективность – рекордный показатель эффективности использования электроэнергии (PUE) менее 1,2, то есть не более 20 % энергопотребления будет расходоваться на охлаждение; Компактность и высокая плотность; Большой коэффициент вычислительной эффективности – более 90 % на тесте LINPACK; Высокая масштабируемость; Возможность использования ускорителей (архитектуры Intel MIC).

  В дальнейшем в рамках планового расширения уже в 2012 году производительность вычислительного кластера МФТИ будет увеличена до 30 TFLOPS. Лаборатория также осуществляет и учебную деятельность. Ее сотрудниками разработан учебный курс по использованию симуляторов для моделирования различных вычислительных систем. В лаборатории регулярно проводятся научные семинары. Владимир Пентковский стал научным руководителем нескольких аспирантов и студентов МФТИ.