Моделист-конструктор

Возможно, в новостях #392 за этот год вы уже читали о том, что теперь каждый желающий может пожертвовать мегагерцы своего простаивающего компьютера на благое дело - разработку лекарств от рака. Достаточно скачать программку-агент с сайта компании United Devices.

Возможно, в новостях #392 за этот год вы уже читали о том, что теперь каждый желающий может пожертвовать мегагерцы своего простаивающего компьютера на благое дело - разработку лекарств от рака. Достаточно скачать программку-агент с сайта компании United Devices, и voila: на вашем экране бегают красивые молекулки, считаются некие «хиты» и все это сопровождается не менее красивыми словами о том, сколь важна решаемая вами задача и какую огромную пользу она принесет человечеству. Все это (если только вы не разбираетесь в молекулярной биологии и биохимии) вызывает чувство, что вы делаете нечто значительное, но оставляет в полном неведении, что же, собственно происходит. Иногда, правда, закрадывается подозрение, что вы участвуете в некой PR-акции компании United Devices, чей логотип висит в окошке с молекулками и носится по экрану в режиме скринсейвера, отнимая вычислительные циклы у процессора. И конечно, ко всему этому приложила руку компания Intel, поднявшая знамена пиринговых вычислений: ей ведь нужны новые ресурсоемкие приложения для своих новых процессоров (заодно, правда, не только для своих). Так что же все-таки происходит во время работы программы на ПК? Или, поставим вопрос шире, как компьютер вообще может искать лекарства и не есть ли все это обман и надувательство народа и инвесторов? Вот, например, IBM строит суперкомпьютер для молекулярных расчетов - но это общие слова, а чем именно он будет заниматься?..

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. Впрочем, подробно о разработке лекарств вы можете прочитать в статье Александра Шкроба.

[i39820]