LUMI-supertietokone ympäristöä säästävän entsyymikehityksen vauhdittajana
Entsyymit ovat proteiineja, jotka toimivat biologisina katalyytteinä eli ne nopeuttavat kemiallisia reaktioita elävissä organismeissa. Entsyymit ovat välttämättömiä elämälle ja ne osallistuvat moniin tärkeisiin fysiologisiin prosesseihin, kuten ruoansulatukseen, aineenvaihduntaan ja solujen toimintaan. AB Enzymes kehittää entsyymejä mm. auttamaan tuotantoeläinten ruoansulatusta käyttämään ravinteita paremmin hyödyksi. Näin vähennetään ympäristökuormaa, kun ravinteet eivät vapaudu ympäristöön.
AB Enzymes on kansainvälinen bioteknologiayritys, joka on erikoistunut teollisten entsyymiratkaisujen kehittämiseen, tuotantoon ja toimitukseen. AB Enzymesin tuotevalikoima ulottuu elintarvikelaatuisista entsyymeistä, rehu- ja teollisiin entsyymiratkaisuihin. AB Enzymes on vakiintunut toimija entsyymimarkkinoilla, mutta katse on suunnattu vahvasti tulevaisuuteen ja siihen tarvitaan tuoreita ideoita ja uusia keinoja.
Virtuaalisella mikroskoppilla uusia tuulia tuotekehitykseen
AB Enzymesin Rajamäen modernilla tuotantolaitoksella tehdään laaja-alaista entsyymien tutkimus- ja kehitystyötä. Siellä suunnitellaan kaikkea entsyymeihin ja niiden tuotaprosesseihin liittyen, ihan ensimmäisestä ideanpoikasesta pilottitason fermentointeihin ja jälkikäsittelyyn. Rajamäellä työskentelee myös vanhempi tutkija Joni Vuorio. Hänen erikoisosaamistaan on laskennallinen entsyymisuunnittelu ja molekyylidynamiikan simulaatiot, jonka hän toi mukanaan tuotekehityksen työkalupakkiin.
”Monet teolliset prosessit vaativat todella äärimmäisiä olosuhteita, joten teollisten entsyymien pitää kestää ja toimia äärimmäisissä olosuhteissa, esimerkiksi todella korkeissa lämpötiloissa. Luonnosta löytyvät entsyymit harvoin omaavat sellaisia ominaisuuksia, että niitä voisi käyttää sellaisenaan, vaan niitä pitää muokata geeniteknologian keinoin tiettyjä sovelluskohteita varten”, Vuorio kertoo.
”Suunnittelussa yritetään ymmärtää proteiinien toimintaa ja yleensä se vaatii entsyymin ja sen katalysoiman reaktion rakenteiden ja dynamiikan ymmärtämistä, joka taas vaatii kurkistusta nanomaailmaan. On tosi vähän menetelmiä, millä tällaista voidaan tehdä.”
Laboratoriosta saadut tulokset ovat usein epäsuoria ja tutkimukselle oleelliset molekyylien toimintamekanismit voivat usein jäädä hämärän peittoon. Molekyylidynamiikan simulaatio, jota voidaan kutsua myös virtuaaliseksi mikroskoopiksi, on erityisen hyvä menetelmä kokeellisten tulosten jatkokehittämiseen. Se mahdollistaa dynaamisten ilmiöiden tutkimisen nanotasolla. Mutta tähän tarvitaan laskentatehoa.
Try&Buy-projektilla helposti suurteholaskennan maailmaan
Vuorio on vuodesta 2012 asti ollut tekemisissä CSC:n kansallisten supertietokoneiden kanssa, kun hän oli Helsingin yliopistolla mukana professori Ilpo Vattulaisen työryhmässä tutkimassa mm. kalvoproteiineja. Kansalliset supertietokoneet on tarkoitettu lähinnä korkeakoulujen ja kansallisten tutkimuslaitosten käyttöön. Siten oli suoranainen onnenpotku, että EuroHPC LUMI -supertietokoneen saapuminen Suomeen mahdollisti käytön myös yrityksille vuonna 2022.
”Tartuin heti tilaisuuteen”, Vuorio muistelee. ”Meillä on myös omaa laskentakapasiteettia, mutta molekyylidynamiikan simulaatiot vaativat valtavasti laskentatehoa. Aikaisempi kokemukseni supertietokoneista ja LUMI-supertietokoneen valtava laskentakapasiteetti tarjosivat oivallisen mahdollisuuden hyödyntää simulaatioita entsyymien kehityksessä. Erityisesti GPU-laskentakapasiteetilla, joka on erittäin tehokasta molekyylidynamiikan simulaatioiden ajamiseen, saadaan kehitystyötä kiihdytettyä merkittävästi. On selkeä etu, että simulointia ei tarvitse ostaa palveluna, vaan voimme tehdä sen LUMIlla itse. Näin säästämme sekä rahaa että aikaa.”
AB Enzymes aloitti LUMIn käytön maksuttomalla Try&Buy-projektilla, joka tarjoaa mahdollisuuden testata LUMIn sopivuutta yrityksen käyttötarkoituksiin ennen investointipäätöksen tekemistä.
”Try&Buy-projekti sisältää käyttäjätunnukset kahdelle käyttäjälle, CPU-, GPU- ja datan tallennusresursseja testauskäyttöön ja mikä tärkeintä, veloituksetonta asiantuntijatukea projektin käyttöönottoon”, kertoo AB Enzymesin asiakkuudesta vastaava CSC:n projektipäällikkö Jussi Auvinen.
”Noin 3–6 kuukautta kestävän testiprojektin jälkeen yritys voi jatkaa käyttöä tekemällä laskentapalveluiden käyttösopimuksen tai vain päättää käytön veloituksetta testivaiheen jälkeen.”
AB Enzymesin Try&Buy-projekti sujui erinomaisesti. CSC:n kanssa kaikki toimi niin kuin Vuorio vanhasta kokemuksesta olettekin – avoimen lähdekoodin ohjelmat olivat yhteensopivat, asiantuntijatukea oli tarvittaessa saatavilla ja LUMI-dokumentaatio oli erinomainen. Lisäksi BioExcel-3 hankkeen kautta CSC:llä on suora yhteys käytettävien GROMACS- ja PMX-ohjelmistojen kehittäjiin, mikä takaa parhaan mahdollisen tuen. AB Enzymes onkin jatkanut LUMIn käyttöä Try&Buy-projektin päätyttyä.
Laskentateho tuo nopeutta ja laatua tuotekehitykseen
”LUMIn kilpailukykyinen hinnoittelu ja tehokkuus mahdollistavat laskennallisen testaamisen. Tulee vähemmän huteja laboratoriotesteissä, kun molekyylejä voi seuloa ensin supertietokoneella”, summaa Vuorio.
Palveluostona laskennan kustannukset ovat selkeät. Hankitaan tietty määrä kapasiteettia, jota kuluu vain erikseen suoritettavaksi lähetettävien ajojen verran, eikä kapasiteettia ole sidottu määräaikaan. Se tekee käytöstä ja kustannusten seurannasta yksinkertaista.
”LUMIn laskentakapasiteettia ei hankittu mihinkään tiettyyn projektiin, vaan LUMI on nykyään osa meidän entsyymikehityksen työkalupakkia. Käytämme LUMIa entsyymimallinnukseen ja molekyylidynamiikan simulaatioihin. Tarkoituksena on ymmärtää paremmin entsyymi-subsraattivuorovaikutuksia ja optimoida entsyymien suorituskykyä juuri teollisissa olosuhteissa”, sanoo Vuorio.
LUMI on tuonut uusia ulottuvuuksia: nopeutta, tehokkuutta ja ketteryyttä AB Enzymesin suunnittelu- ja tuotantokehitykseen ja paremman ymmärryksen molekyyleistä, joka vähentää laboratoriotesteihin käytettäviä resursseja.
Kaikki tämä tulee näkymään tulevaisuudessa asiakkaille laadukkaampina, ympäristöystävällisempinä ja tehokkaampina entsyymituotteina.
Kestävä kehitys ydinarvona
Ympäristöystävällisyys ja kestävän kehityksen mukainen toiminta ovat AB Enzymesin ydinarvoja eli LUMI sopii erinomaisesti heidän työkaluvalikoimaansa.
Supertietokoneiden datakeskusten energiankulutus on ollut kuuma puheenaihe, mutta LUMI on maailman supertietokoneista yksi ympäristöystävällisimmistä. LUMIn perustana ovat maailmanluokan ekologinen kestävyys ja kustannustehokkuus. LUMI näyttää suuntaa Euroopan ICT-sektorille EU:n asettamien kunnianhimoisten ilmastonsuojelun ja vihreän siirtymän tavoitteiden saavuttamisessa. Pienin mahdollinen ympäristökuormitus, veronmaksajien varoja säästävä energiakulutus sekä koneen jäähdytyksen hukkalämmön hyötykäyttö Kajaanin kaukolämmössä tekevät LUMIsta ylivertaisen esimerkin datakeskuksesta, joka tukee ilmastonsuojelua ja vihreää siirtymää.
Lisäksi LUMI on tarkoitettu vain tutkimus-, kehitys- ja innovaatiokäyttöön ja sen laskentaa käytetään mm. ilmastonmuutoksen mallinnukseen, lääketutkimukseen ja tekoälysovellusten kehittämiseen. LUMIn seuraajaksi rakennetaan tekoälyoptimoitu LUMI-AI-supertietokone, jonka kaavaillaan käynnistyvän vuonna 2027.
Seuraava askel – tekoälyn hyödyntäminen
Tekoälyn käyttö entsyymisuunnittelun apuna kiinnostaa myös Vuoriota ja tiimin kanssa he pohtivatkin jatkuvasti, miten tekoälyä voisi hyödyntää yhä laajemmin tutkimustoiminnassa.
Yritysten pohdinnan ja tekoälykehityksen tueksi lanseerattiin keväällä 2025 LUMI-tekoälytehdas, yksi Euroopan ensimmäisistä tekoälytehtaista.
”Tarjoamme laskentakapasiteetin lisäksi tekoälyasiantuntemusta, koulutusta ja dataa, joiden avulla yritykset voivat kehittää huippuluokan tekoälymalleja, -työkaluja ja -sovelluksia”, kertoo Aleksi Kallio, LUMI-tekoälytehtaan palveluiden johtaja.
”Sen lisäksi pyrimme auttamaan yrityksiä löytämään heidän liiketoimintamalliinsa sopivia tekoälyratkaisuja LUMI-tekoälytehtaan työkalupakista.”
Kuva: AB Enzymes ja Adobe Stock
Dan Still
Dan Still vastaa teollisten kumppanuuksien ja verkostojen rakentamisesta, teollisen HPC käytön tehostamiseksi.