Поиск лекарственных форм.

Лет пять назад мне и в голову не приходило, что в этой «страшно далекой от народа» области, несмотря на ее колоссальную важность, когда-нибудь сможет участвовать буквально каждый. И теперь мне кажется уместным сказать несколько слов о том, что же представляют собой эти расчеты и почему чем дальше, тем они важнее. Возможно, вскоре останется совсем немного персональных компьютеров, участвующих в решении задач, связанных с расчетом белковых структур. Почему? Потому что за это рано или поздно начнут платить (собственно, проект United Devices и сейчас платит - чувством сопричастности к важнейшему делу, а также бонусами, которые перепадают от спонсоров). А медицинских проблем, которые такие расчеты могут решить, - масса. Болезнь Альцгеймера, «коровье бешенство», врожденная эмфизема, различные формы рака и т. д.

Все мы знаем, что белки являются основными компонентами живых клеток. Трудно перечислить все функции белков: рецепция сигналов и их передача, защита организма, молекулярный транспорт, движение, регуляция, ускорение химических реакций. Человечество упорно картирует свой геном именно для того, чтобы понять, какие белки участвуют в выполнении той или иной функции или причастны к развитию тех или иных заболеваний.

Уникальность белков в том, что это единственный вид биополимера, который может самостоятельно поддерживать необходимую для своего функционирования строго определенную пространственную структуру. Причем функция любого белка полностью определяется его специфической структурой. Именно поэтому для решения подавляющего большинства современных задач биологии и медицины необходимо иметь информацию не столько о структуре гена, сколько о структуре кодируемого им белка и ее потенциальной способности взаимодействовать с другими молекулами в организме, такими как, например, лекарственные средства.

Белок, грубо говоря, можно представить в виде цепи «кирпичиков» - элементов достаточно сложной пространственной формы да к тому же еще и гибких. Причем последовательность этих кирпичиков полностью определяет структуру, в которую «свернется» цепь. А вот определить эту структуру, «посмотреть на белок» сегодня можно только экспериментальным способом - с помощью кристаллографического анализа. О том, как это делается, читайте статью Сергея Ружейникова «под прицелом синхротрона».

Вообще говоря, структуру белка можно посчитать и на компьютере, не прибегая к дорогостоящим синхротронам. Только требует это громадных вычислительных ресурсов. Расчет пространственной структуры белков сводится, говоря математическим языком, к задаче поиска глобального минимума функции большого числа переменных. Если каждая гибкая аминокислота-«кирпичик» может изогнуться десятью разными способами, а даже в маленьком белочке таких аминокислот не меньше сотни… 10100 - это поболее числа атомов во вселенной. Конечно, перебирать все варианты, чтобы найти несколько удачных, не имеет смысла - природа-то этого не делает, формируя трехмерные структуры белков за время порядка секунд и минут. Однако алгоритм, который бы позволил компьютерам следовать за природой, еще не найден. Так что восстановление трехмерной структуры белка по его аминокислотной последовательности - это сверхтрудная задача.

Но есть проблемы, которые современным ПК вполне по силам. Например, тот самый Drug Search - поиск лекарств. Основой здесь служат уже готовые, определенные с помощью рентгена структуры, к которым пытаются пристраивать небольшие молекулы лекарственных препаратов. Именно это и происходит на красивом экране программы-агента United Devices. Структура в правом верхнем углу - белок со страшным названием супероксиддисмутаза. Занимается он в организме тем, что подбирает свободные радикалы, чрезвычайно реакционноспособные и причиняющие клеткам немало вреда. Особенно важен этот фермент для интенсивно делящихся раковых клеток. Если его заблокировать, раковым клеткам будет плохо в первую очередь, и они погибнут. Что, собственно, и требуется. Программа берет по очереди мелкие молекулы из банка данных и пытается их так и сяк пристыковать к ферменту. Получилось - засчитывается «попадание», и в дальнейшем такие варианты будут тщательно анализироваться.