Сегодня в мире на разработку одного лекарства тратится от 1 до 2,5 миллиардов долларов и примерно 10−15 лет. Но современные методы компьютерного конструирования позволяют значительно сократить время и затраты на создание новых медикаментов. В Академии наук существует целая команда, которая с помощью «нобелевских» подходов — методов компьютерного моделирования — помогает в разработке лекарств от онкологии, ВИЧ и лекарственно устойчивого туберкулеза. 42.TUT.BY побеседовал с молодыми учеными, участвующими в программе, о биоинформатике и сложностях поиска лекарства против рака.
«Классно, когда ты делаешь вещи на своей работе, которые могут в итоге помочь человечеству»
Если кратко описать суть проекта, то команда белорусских ученых при помощи компьютерного моделирования разрабатывают и идентифицируют химические соединения, которые перспективны для создания новых лекарственных препаратов против ВИЧ и, в последнее время, онкологии.
Для проведения экспериментов inSilico (то есть в компьютере) используется обладающий огромной вычислительной мощью суперкомпьютер в Объединенном институте проблем информатики НАН Беларуси. Один из его сотрудников — аспирант второго года обучения и председатель совета молодых ученых Объединенного института проблем информатики НАН Беларуси (ОИПИ) Анна Карпенко — также входит в команду.
— Я окончила факультет радиофизики и компьютерных технологий БГУ по специальности «радиофизика». Почему этот факультет? Дело в том, что на нем традиционно проходят олимпиады среди абитуриентов, победители которых имеют преимущества при поступлении. Я стала одной из этих победителей, к тому же мне понравилась атмосфера, царившая на Дне открытых дверей. Я поняла, что хочу учиться именно там, поступила и ни разу не пожалела, — рассказывает девушка. — Я училась на кафедре интеллектуальных систем, где было очень клево: многие преподаватели были с практическим опытом в IT. Темы были такие интересные, что было даже сложно выбрать какую-либо одну для диплома и диссертации.
Затем у меня была преддипломная практика здесь, в ОИПИ в лаборатории распознавания синтеза речи. Позже я познакомилась с другими направлениями работы института и в частности с биоинформатикой, и мне эта тема показалось интересной и актуальной. По-моему, очень классно, когда ты делаешь какие-то вещи на своей работе, которые могут в итоге помочь человечеству. И примерно год назад я поступила в аспирантуру и перешла в лабораторию математической кибернетики, одним из направлений которой был компьютерный дизайн потенциальных лекарственных препаратов.
Термин «биоинформатика» появился еще в 1970 году. Он включает в себя совокупность методов и программных средств, необходимых для извлечения полезной информации из огромного массива биологических данных. Цель — сформировать научные представления о том или ином биологическом явлении.
— Одним из направлений биоинформатики является такое понятие как драг-дизайн, представляющий собой направленное конструирование новых лекарственных препаратов с применением методов компьютерного моделирования. Именно этим аспектом биоинформатики и занимается наша команда, — поясняет Анна. — Причем, учитывая междисциплинарность нашей области исследования, хочется отметить различных специалистов, работающих в нашей команде: физики, математики, биологи, химики. Руководители нашей команды (у нас их двое) также отличаются друг от друга научными областями. Так например, Александр Михайлович Андрианов — доктор химических наук, в то время как Александр Васильевич Тузиков — доктор физико-математических наук.
Как суперкомпьютер помогает искать лекарство
Изображение носит иллюстративный характер. Фото: Benoit Rajau / Institut Curi
Чем же конкретно занимается команда молодых ученых в Академии наук?
— Одна из моих задач — это компьютерный скрининг, то есть поиск химических соединений в базах данных, которые потенциально могут являться лекарственными препаратами для лечения конкретного заболевания, — продолжает Анна. — Современная концепция драг-дизайна предполагает, что для каждого заболевания существует своя молекулярная мишень в организме человека, например, какой-нибудь белок. Если на эту мишень воздействовать определенным веществом (лекарством), то ее можно уничтожить или заблокировать ее функции и, соответственно, предотвратить течение заболевания.
Чтобы проверить, какое химическое соединение потенциально сможет уничтожить ту или иную мишень, ученые, как правило, проводят высокопроизводительный скрининг, в ходе которого опытным путем удается проверить сотни тысяч и даже миллионы соединений. Однако высокопроизводительный скрининг является роскошью в финансовом плане, которую могут себе позволить только крупные фармацевтические компании.
Зато существуют хорошо зарекомендовавшие себя во всем мире методы компьютерного моделирования. Они позволяют провести тот же скрининг, но уже виртуальный, десятков миллионов химических соединений, оценить их способность уничтожать или блокировать определенную мишень и тем самым определить 20 или 30 соединений, которые необходимо синтезировать и подвергнуть биологическому тестированию. Такой подход позволяет экономить и временные, и финансовые ресурсы.
Конечно, расчеты, осуществляемые в ходе компьютерного моделирования, требуют огромных вычислительных мощностей — но у нас есть суперкомпьютер: как стационарный, так и офисный, разработанный в нашем институте.
Фото: TUT.BY
«СКИФ К-1000» является самым мощным компьютером на территории СНГ и Восточной Европы. Его пиковая производительность составляет 2,5 триллиона операций в секунду; в состав входят 288 двухпроцессорных вычислительных узлов на базе 64-разрядных процессоров AMD Opteron с частотой 2200 МГц.
Почему пока нет универсальных лекарств против онкологии ВИЧ и туберкулеза
Пожалуй, одно из самых «медийных» направлений работы команды — конструирование новых анти-ВИЧ агентов.
Несмотря на более чем 30-летнюю борьбу с ВИЧ, лекарство, способного излечить человека, так и не было найдено. Существующая сегодня антиретровирусная терапия способна продлить жизнь больного более чем на 30 лет, но, к сожалению, дороговизна препаратов, входящих в состав терапии, не способствуют ее широкому распространению.
— Относительно вклада нашей команды в разработку новых потенциальных анти-ВИЧ агентов можно сказать следующее: было смоделировано большое количество потенциальных лекарственных препаратов против ВИЧ, которые можно купить или синтезировать и далее протестировать. Сейчас мы занимаемся поиском партнеров, которые смогли бы осуществить эту экспериментальную часть нашего научного исследования, — говорит Анна.
Работы по ВИЧ продолжаются, однако сейчас на первый план, по словам молодых ученых, выходит все же «онкологическая тема». Ею занимаются двое коллег Анны — кандидат химических наук Юрий Корноушенко и магистрант по специальности химия Иван Босько.
Слева направо: Анна Карпенко, Юрий Корноушенко, Роман Сергеев и Иван Босько
— Вопрос с онкологией стоит сейчас довольно остро: все-таки рак занимает согласно ВОЗ второе место в мире среди причин смертности — поясняет Юрий. — Например, мы работаем по теме рака молочной железы — в чем здесь сложность? Есть такой фермент под названием ароматаза, который, трансформирует андрогены в эстрогены. Можно сказать, что этот фермент является причиной образования гормон-зависимого рака молочной железы (наиболее распространенной формы), так как опухоль использует вырабатываемый этим ферментом эстроген для своего роста. Если создать вещества, которые смогли бы блокировать работу ароматазы, тогда можно было подавить рост опухоли. И, кстати говоря, сегодня существуют уже одобренные препараты для лечения гормон-зависимого рака молочной железы, например, летрозол или анастрозол.
Но на деле не все так просто, как кажется. Допустим, опухоль использует один субстрат для своего роста, те же эстрогены. Но если в определенный момент эстрогена не хватает по причине применения летрозола, подавляющего работу ароматазы, то опухоль может перейти на другой субстрат — использовать альтернативные источники для своего питания. И против этого применяемый лекарственный препарат будет не эффективен. Вот эта проблема резистентности в онкологии очень актуальна.
Кроме того, опухоль состоит из множества клеток, которое часто характеризуется крайне неоднородным составом как по морфологии так и физиологии, хотя изначально опухоль берет свое начало из одной трансформированной клетки организма. Образно говоря, представьте, что опухоль не состоит из клеток конкретной формы, а представлена круглыми, квадратными и трапециевидными клетками. И вот когда мы действуем на опухоль каким-нибудь лекарством, то квадратные клетки, например, погибают, а круглые и трапециевидные все равно остаются нечувствительными к данному препарату, что способствует выживаемости опухоли.
Но на сегодняшний день онкология является стремительно развивающейся научной областью, в которой применяются современные методы исследования (в том числе и компьютерного моделирования) для понимания механизмов, которые помогают опухолям выживать при действии различных лекарственных препаратов. Поэтому я уверен, что в скорейшем будущем рак удастся победить, хочет он того или нет.
Фото с сайта onco.me
Еще одно интересное направление команды — это анализ геномных данных, в частности, нацеленных на изучение лекарственно устойчивого туберкулеза. Этим занимается научный сотрудник ОИПИ Роман Сергеев.
После университета он какое-то время работал в IT-компании, где занимался внедрением ERP-систем, но потом решил «посвятить часть своей жизни научной работе» и сейчас участвует в международном проекте по изучению и анализу мультирезистентного туберкулеза.
— Дело в том, что у нас высокий процент случаев лекарственно устойчивого туберкулеза, особенно входящего в семейство Beijing (Пекин). Бактерия со временем накапливает мутации, что модифицируют мишень препарата или метаболический путь, на который рассчитано действие препарата, и традиционное средство прекращает работать, — поясняет Роман. — Анализируя геномные данные самой бактерии, я ищу, какие мутации связаны с лекарственной устойчивостью. Это позволит создать специальный веб-сервис, куда любой научный или медицинский сотрудник мог бы загрузить данные об обнаруженной бактерии, и программа могла бы рассчитать по каждому препарату, какова вероятность, что средство будет или не будет воздействовать конкретно на этот штамм. Сейчас у меня уже есть прототип, созданный на основе алгоритмов, что я разработал на основе своей диссертационной работы.
— Стоит ли нам волноваться, что против туберкулеза в итоге не окажется лекарства?
— Новые препараты появляются, например, не так давно было протестирован Бедаквилин — лекарство нового класса. В моей выборке нет случаев устойчивости к недавно появившимся антибиотикам. Можно сказать, что это борьба: бактерия мутирует и становится нечувствительной к традиционным препаратам, а в ответ человечество придумывает что-то новое. Так что лекарство будет.
Как фестивали науки помогают популяризировать науку
Не секрет, что белорусы довольно скептически относятся к отечественной науке. Но Анна и ее коллеги с этим не согласны.
— Тем, кто сомневается в наших достижениях, я бы для начала выслала презентацию нашего института со всеми разработками только за этот год, и попросила бы рассказать, над чем там можно посмеяться, — говорит Анна.
— Как думаете, при нашей жизни найдут лекарство от рака?
— Думаю, что да, и надеюсь, что я и наша команда внесут в это свой вклад. Когда твоя работа не просто про то, чтобы заработать денег или получить какие-то преимущества лично для себя, а может внести реальный вклад в будущее развитие медицины и помощь человечеству, то это просто потрясающе.
Мы сейчас сотрудничаем с китайскими, американскими, российскими и немецкими институтами. Где-то обмениваемся материалами, где-то они берут на синтез наши соединения, где-то предлагают интересное решение, чтобы мы его промоделировали, а они проверили дальше. Много разных интересных контактов, которые помогают делать разные направления и находить пути для поиска. Надеюсь, что и эти коллаборации в том числе должны принести положительные результаты для поиска лекарства.
Кроме того, Анна участвует в популяризации белорусской науки и иным способом. Так, она помогала организовывать конференцию на тему «частного космоса» NewSpaceDays (заведующий института Алексей Белоцерковский также является национальной контактной точкой по космосу европейской программы науки и инноваций «Горизонт 2020») и была одним из членов команды Совета молодых ученых НАН РБ — организаторов «Фестиваля науки» в Минске.
— Здорово, что в Академии наук есть такие мероприятия. Это очень классно, потому что показывает науку в современном и популярном виде, и она не выглядит так скучно и печально, как в основном всем представляется, — шутит Анна. — В октябре я была лектором на российском фестивале Науки Nauka 0+ — выступала на тему «Драг-дизайн: как создают современные лекарства». А на белорусском «Фестивале науки», что прошел 7 сентября, я была только организатором: когда организовываешь фестиваль, то больше ничего не успеваешь. Например, лекторы приезжали к 12 часам, а мы — к пяти утра. Потому что надо было встречать участников, подготовить все к их приезду, все проконтролировать, чтобы посетители были счастливы и довольны и получили именно те эмоции, которые мы хотели донести.
Это был интересно даже в том плане, что у меня не было ранее опыта организации таких больших мероприятий. Это на самом деле такая же большая площадка для знакомств и рассмотрения новых проектов, как и научные конференции. Можно было прийти и, например, узнать, что сейчас происходит во всех институтах НАН. Тем более что мы приглашали и частных лиц, допустим, по робототехнике и космосу, и планируем пригласить еще больше на следующий «Фестиваль науки».
Мне кажется, если ты ученый, то должен посетить такое мероприятие, чтобы у тебя сложилась общая картина, и ты знал, с кем стоит провести кооперацию. Ведь, наверное, сейчас очень актуален тренд, когда все самые современные направления идут на стыке наук.
На прощание задаем Анне вопрос, не сложно ли быть молодой девушкой в «мужском» мире науки.
— Да, действительно, на радиофизике я была одной из двух девушек в группе, и конкретно у нас в институте действительно подавляющее мужское большинство (например, в ученом совете института женщина только я). Но я не думаю, что здесь можно говорить о каких-то гендерных неравенствах и притеснениях. Думаю, на журфаке или биофаке больше женщин. Но значит ли это, что там надо защищать права парней? — задает риторический вопрос Анна. — Просто у нас довольно специфическая область, и мужчинам, скорее всего, просто чаще интересна эта тематика.
Ни разу не было, чтобы меня куда-то не пустили или не позволили что-то сделать только потому, что я женщина. Наоборот, всячески стараются поддерживать. Но я считаю, что человека в первую очередь надо оценивать по его компетенциям, а не по полу.
