Novembre 2020. Mentre l’Italia si prepara a fare i conti con la seconda ondata di Covid-19, che minaccia sia le festività natalizie sia la resa delle strutture sanitarie, un progetto scientifico altamente innovativo con il cuore nel Belpaese va alla ricerca delle migliori soluzioni farmaceutiche per rispondere alla diffusione del Covid-19. EXSCALATE4CoV – questo il nome dell’iniziativa – è promosso dalla Comunità Europea, ma guidato e realizzato dall’azienda italiana Dompé farmaceutici, che ha l’incarico di coordinare diciotto istituzioni e centri di ricerca in sette Paesi al fine di identificare nuove terapie per mettere all’angolo il nuovo coronavirus. In questo periodo i casi mondiali hanno già superato i 50 milioni di contagi, mentre l’Italia si aggira intorno alle 50mila vittime: una situazione nella quale il tempismo è fondamentale e la tecnologia può essere un validissimo alleato. A questo è servito HPC5, ottavo supercomputer più potente del mondo (e il primo tra quelli utilizzati in ambito industriale) di Eni, che dalla sua sede a Ferrera Erbognone, vicino a Pavia, ha permesso l’elaborazione delle interazioni di 71,6 miliardi di molecole su 15 siti attivi del virus, alla ricerca di quelle che più probabilmente possono aiutare a curare i pazienti che hanno già contratto la malattia.

In collaborazione con un altro supercomputer, Marconi 100 di Cineca – altra eccellenza e undicesimo più potente nella classifica ufficiale HPC Top500 -, HPC5 ha permesso di testare 70 miliardi di molecole con attività farmacologica su 15 “siti attivi” del virus, attraverso l’elaborazione di 1074 miliardi di interazioni che equivalgono a 5 milioni di simulazioni al secondo: “Il più grande esperimento di supercalcolo molecolare mai realizzato”.

“La modellazione molecolare è lo studio delle molecole e delle loro interazioni attraverso l’uso di modelli matematici in grado di simularne le caratteristiche chimiche e chimico-fisiche. Il Dr. Francesco Frigerio, che lavora nel mio gruppo ha un’esperienza pluridecennale nell’impiego di questa tecnica per affrontare problemi complessi”, spiega a TechEconomy 2030 Silvia Pavoni, responsabile dell’unità di Chimica Fisica del dipartimento di ricerca e sviluppo e project manager per le attività Eni R&D di Exscalate4CoV. Insieme al suo team in collaborazione con Cineca, la ricercatrice ha condotto l’analisi che costituisce il cuore del progetto. Niente più vetrini e telescopi, almeno fin qui: dietro la modellazione molecolare ci sono scienziati con competenze in chimica, fisica e matematica, che conducono i loro studi simulando le molecole e le caratteristiche nelle quali si muovono. Questo permette il duplice vantaggio di evitarne la sintetizzazione in laboratorio e di accelerare di parecchio i tempi di studio.

Dal sottosuolo alla pandemia

“Grazie ad HPC5, ospitato nel Geen Data Center di Eni, abbiamo l’opportunità di studiare numerose strutture molecolari, spesso anche sconosciute, valutandone il comportamento quando sono a contatto di substrati che presentano diverse condizioni di temperatura e pressione”, spiega Pavoni: “Il lavoro che svolgiamo nel quotidiano per Eni in ricerca e sviluppo: sia per quanto riguarda le fasi di esplorazione e produzione sia per la raffinazione e lo studio delle energie rinnovabili”.

Per correre la sua maratona contro il Covid-19, il super computer di Eni ha lavorato per due giorni e mezzo, tra il 19 e il 21 novembre, a pieno regime, impiegando 1.500 nodi (ognuno equipaggiato con 2 CPU, costituita ciascuna da 24 “core”), e 4 GPU. Questi ultimi sono acceleratori grafici che garantiscono all’HPC5 la massimizzazione delle prestazioni e al tempo stesso un significativo risparmio energetico. In totale quindi nell’esperimento sono state utilizzate 78.000 processori in contemporanea.

Prendendo in prestito la metafora dei videogiochi, i ricercatori hanno simulato un combattimento tra le proteine del coronavirus e altre molecole già conosciute tra i farmaci potenzialmente utilizzabili (provenienti da database pubblici e resi disponibili dalle aziende farmaceutiche), alla ricerca di quelle “più attrezzate” per “attaccare il virus e impedirgli di scatenare la propria carica virale”.

La fase uno

Ma l’esperimento di EXSCALATE4CoV ha un’origine più lontana: avviata la scorsa primavera, la ricerca si è prima concentrata esclusivamente sulle molecole di farmaci generici già in commercio e i cui effetti sull’uomo sono noti e testati. La decisione è derivata dall’esigenza di trovare una prima immediata risposta al sovraffollamento degli ospedali e quindi di ridurre il carico dello studio a quei farmaci che più probabilmente avrebbero dato una risposta spendibile alle esigenze quotidiane di medici e ricercatori.

“Nella prima fase di screening virtuale sono state elaborate 400mila molecole di farmaci già disponibili e sicuri per l’uomo, resi disponibili da Dompé Farmaceutici e da altri partner, per un totale complessivo di 7.000 molecole con caratteristiche promettenti testate”, spiega Pavoni, che dall’inizio coordina il lavoro di ricerca per Eni. Alla fine di questa sequenza di ricerca, per la quale non è stato necessario impiegare tutta la potenza di HPC5, è stato individuato un primo farmaco che dà buone speranze nel trattamento del Covid-19: il Raloxifene. Già impiegato per trattare l’osteoporosi, questo farmaco ha ricevuto il 27 ottobre il permesso dell’Aifa (Agenzia italiana del farmaco) per la realizzazione di studi clinici allo Spallanzani di Roma e all’Humanitas di Milano, come potenziale trattamento per pazienti Covid-19 con sintomi lievi e medi: “Cioè in quella fase cruciale in cui si blocca all’inizio l’esplicazione della sintomatologia”, chiosa Pavoni.

Macchine bestiali

Prima di procedere è necessaria una breve digressione: in informatica il flop non è ciò che sembra. A differenza dell’uso comune del termine, anzi, il Flop (Floating point Operations Per Second), è l’unità di misura con la quale si misura il numero di operazioni in virgola mobile eseguite da un calcolatore processore in un secondo. Più Flop, più capacità della macchina di risolvere un problema.

Tornando ad HPC5, tra le più performanti infrastrutture di supercalcolo al mondo, questo è in grado di raggiungere una potenza di elaborazione di circa 52 Petaflop di picco che, unite alla potenza di calcolo di HPC4 (il suo predecessore, ancora operativo) permettono l’accesso a 70 Petaflop di potenza di picco: 70 milioni di miliardi di operazioni matematiche al secondo. La massima efficienza in termini di elaborazione e, grazie all’utilizzo delle GPU, di consumo di energia.

“Parliamo di macchine che, alla presa di corrente, consumano quanto una piccola città, tipo Sondrio”, ironizza Luca Bortot, project manager di HPC in Eni: “Ma è evidente che avere una macchina che, a parità di prestazioni, consuma la metà, mi permette di risparmiare energia – traducendosi in una diretta riduzione delle emissioni di CO₂”. E così l’efficienza in termini di raggiungimento dei risultati, almeno in questo caso, corrisponde anche a una migliore efficienza energetica, come dimostrano i parametri di consumo di HPC5.

Avendone fatto parte fin dalla sua costruzione, Bortot conosce perfettamente il Green Data Center di Eni, ovvero la struttura che ospita le infrastrutture IT dell’azienda ormai dal 2013, e che ne ha ospitato tutti i supercomputer, dal primo HPC1 fino al modernissimo HPC5. Creato per essere il più efficiente al mondo, questo data center racchiude lo stato dell’arte delle tecnologie esistenti, in modo da assicurare ai sistemi informatici che ospita il migliore ecosistema per funzionare in modo efficiente. “Alcune di queste le abbiamo dovute letteralmente inventare noi, chiedendo ai produttori di realizzare per noi tecnologie che non erano mai state usate”, precisa Bortot. Tra queste l’innovativo sistema di Ups che garantiscono l’alimentazione ininterrotta del supercalcolatore e che sono diventati oggigiorno uno standard nei centri di calcolo. Un’altra caratteristica che rende il “data center” un orgoglio per l’azienda e i suoi ingegneri è il sistema di raffreddamento delle sale macchina, che almeno per il 92% del tempo all’anno utilizza l’aria esterna, riducendo considerevolmente i consumi derivanti dagli impianti di condizionamento, normalmente indispensabili per mantenere i computer a una temperatura ottimale (tra i 18 e i 28 gradi). Una soluzione che rende il Green Data Center tra i più apprezzati e performanti centri di calcolo al mondo, in competizione con strutture che tradizionalmente vengono costruite a latitudini più fredde proprio per mitigare i consumi sul raffreddamento.

Ma a cosa serve una macchina tanto potente? In un’azienda come Eni, praticamente a tutto. All’ individuazione di nuovi giacimenti (tra i quali di Zohr, al largo delle coste egiziane, scoperto utilizzando HPC2 e HPC3), agli studi sulle miscele alle reazioni chimiche, dalla ricerca nelle energie rinnovabili le opportunità di aziende come Eni di sfruttare simili attrezzature sono pressoché illimitate e producono risultati industrial concreti. “Tra le attività di ricerca attive ci sono quelle sulla fusione a confinamento magnetico o la simulazione di dispositivi che generano energia a partire dal moto ondoso, uno studio che Eni sta realizzando con l’Università di Torino e che già ha dato risultati promettenti”, spiega a Tech Economy 2030 Jacopo Panizzardi, ingegnere nella direzione Natural Resources di Eni.

“Per utilizzare efficacemente l’immane potenza di calcolo di un sistema come HPC5 abbiamo messo a punto un software che si chiama Beat, che ha il delicato compito di gestire il flusso di lavoro degli oltre 1800 nodi in modo da farli lavorare in sinergia alla ricerca del risultato che ci occorre”, spiega lo scienziato. Nella conversazione fa capolino la metafora del direttore d’orchestra, che conosce le sue migliaia di elementi e ne coordina gli sforzi in modo da ottenere una sinfonia. “Risultato di un progetto di ricerca in collaborazione con Cineca, Beat nasce con l’obiettivo di supportare l’imaging di dati geofisici (tecnica di indagine del sottosuolo che utilizza le onde acustiche, alla ricerca di discontinuità nelle proprietà del sottosuolo e, nel caso di Eni, di potenziali giacimenti, ndr), e già durante la fase di progettazione del software sono stati tenuti in considerazione dei forti requisiti di flessibilità, in modo da poter essere facilmente utilizzato per gestire campane di simulazione necessarie per risolvere problemi in contesti scientifici differenti dal nostro”, proprio come un direttore d’orchestra capace di cambiare spartito, ritmo e genere musicale. “È grazie alla flessibilità di tutti i fattori che lo compongono che HPC5, con il supporto del workflow manager Beat si è dimostrato tanto utile nella ricerca sul Covid-19, che con gli altri studi che realizziamo condivide poche caratteristiche basilari: il bisogno di elaborare una enorme quantità di simulazioni simultanee e l’esigenza di farlo in tempi velocissimi e consumando il meno possibile”, chiosa Panizzardi.

Anni di lavoro in un battito di Beat

Con oltre 65 terabyte di dati messi gratuitamente a disposizione della comunità scientifica, EXSCALATE4CoV è stato il più importante progetto di studio in ambito farmacologico mai realizzato, evidenzia Silvia Pavoni. Già al lavoro sul risultato della Fase 1 – il Raloxifene – adesso gli scienziati stanno analizzando la lista di molecole candidabili prodotta dalla Fase 2 di novembre, per ulteriori test clinici che potrebbero individuare nuovi farmaci utili a contrastare il Covid-19. Ma tra tutte le cifre che descrivono il progetto e le tecnologie impiegate, una in particolare fa riflettere: “Grazie a questo consorzio e all’impiego dei supercomputer di Eni e Cineca, abbiamo raccolto in poco tempo informazioni che altrimenti avrebbero richiesto anni”, sottolinea Pavoni. “In proporzione, i tempi normalmente richiesti per la realizzazione di un farmaco potrebbero passare da dieci a due anni, velocizzando esponenzialmente tutte le fasi di screening farmacologico”. E tanto si è raccolto in un progetto che, come qualunque altra cosa negli ultimi dodici mesi, si è svolto tra home working, riunioni in remoto, video call e messaggi: “Ci sentivamo tutte le sere per fare il punto sulla situazione – racconta Pavoni – mentre fuori cantavano dai terrazzi”. Sono soddisfazioni.