Как карельские математики атаковали неизлечимую болезнь

Учёные Карельского научного центра РАН помогали разработать лекарство для лечения неисцелимого пока кожного заболевания

Этот редкий недуг называется пузырчатка обыкновенная (Pemphigus vulgaris). Суть его заключается в том, что иммунная система человека вдруг дает сбой и начинает работать против собственной кожи и слизистой оболочки, вызывая незаживающие волдыри и язвы. Современная медицина пока не знает методов лечения этой болезни, поиски лекарств ведутся учеными по всем направлениям, в том числе и на стыке наук. Не последнюю роль в решении этой проблемы играют и математики.

Учёные Карельского научного центра РАН помогали разработать лекарство для лечения неисцелимого пока кожного заболевания
Научный кофе-брейк в Институте прикладной математики. Фото: Александр Трубин

У обывателей математик закрепился в образе этакого смурного,  одержимого цифрами субъекта, сутками не отходящего от экрана монитора, по которому бегут бесконечные ряды формул. Журналисты тоже не балуют математиков вниманием: говорят непонятно, на видео статичны - сидит человек и «гоняет мышку по коврику»... У них даже перерыв в работе называется scientific cоffeе-break («научный кофе») ‒ время, когда можно не только получить чашечку любимого напитка, но и порцию полезной информации от коллег. В общем, живут в своем обособленном мире. Но на самом деле это не так. Математический мир, пожалуй, единственный на Земле не имеет границ, политических или расовых условностей. В нем  сотни и сотни добровольцев незаметно для нас помогают человечеству решать возникающие перед ним задачи.

Одной из таких задач стал поиск компонентов препарата для лечения пузырчатки обыкновенной. В процессе работы Наталия Никитина и Евгений Ивашко - сотрудники лаборатории телекоммуникационных систем Института прикладных математических исследований КарНЦ РАН - провели 12 миллионов (!) виртуальных компьютерных экспериментов по моделированию на молекулярном уровне взаимодействия различных химических веществ с источником заболевания. И только четыре из них дали надежды на исцеление.

                          Евгений Ивашко и Наталья Никитина

‒ Наташа, для проведения экспериментов вы использовали некий суперкомпьютер?

‒ Нет, обычный персональный компьютер и систему Enterprise Deskop Grid на базе BOINC. Дело в том, что в научном мире уже давно существуют, можно сказать, объединения по интересам. Возникает какая-то проблема, на решение которой вызываются добровольцы. Ими могут быть целые институты, научные лаборатории или просто отдельные учёные со своими ПК. Заказчик делит общую задачу на десятки тысяч, сотни тысяч, а то и миллионы подзадач, которые добровольцы начинают решать на компьютерах. Потом результаты собираются и изучаются.

В 2011 году мы с Евгением Ивашко были на семинаре “BOINC Workshop” в Ганновере, и там познакомились с немецким ученым Стефаном Меллером, работавшим в Институте экспериментальной дерматологии города Любек. Он и предложил участие в проекте по разработке препарата для лечения аутоиммунной болезни.

Компоненты лекарств вообще традиционно подбираются опытным путем, это долгий и малоэффективный процесс. Поэтому в последнее время математики с их возможностями все чаще привлекаются для компьютерного моделирования воздействия химических веществ на клетки человеческого организма с целью преодоления болезни. Этот метод называется виртуальным скринингом (подбором с помощью ЭВМ), и относительно быстро дает надежные результаты.

‒ Ну да, как известно, кибернетика сосчитала, сколько звезд на небе, капель воды в море… Но вы же не химики, физиологи или медики…

‒ Нам и не нужны их глубокие знания. В дерматологическом институте нам рассказали, что источник заболевания, в принципе, известен ‒ определенная белковая молекула. Но не определено химическое вещество, общее название которого ‒ лиганд, способное воздействовать на неё и обезвредить. В начале разработки лекарства это ключевая задача. Механизм решения кажется простым, но таких лигандов – миллионы только в открытом доступе…

 Пузырчатка может превратить жизнь в ад. Фото:  huidziekten.nl

Нашлись еще добровольцы из Германии, Италии, Великобритании, США, и мы создали виртуальный суперкомпьютер, состоящий из 52 персональных машин. Институт экспериментальной дерматологии предоставил для проведения виртуального скрининга пространственную модель белка и несколько целевых подмножеств лигандов из базы данных ZINC (в ней содержатся модели миллионов молекул, которые можно заказать и протестировать в лаборатории).

Работа шла в течение 10 месяцев, и в результате нам удалось выделить 12 лигандов, которые по всем математическим параметрам могли воздействовать на зловредную белковую молекулу. Данные отправили в лабораторию. Ответ, с одной стороны, порадовал: четыре лиганда могут бить молекулу-мишень «в яблочко». Но с другой… Эти вещества, после изучения с чисто медицинской точки зрения, оказались стероидами, а применить их на стадии экспериментального лечения человека невозможно из-за огромного количества побочных эффектов. Но в целом проект доказал свою работоспособность, и наши исследования оценили, как большой успех. Так что работу нужно продолжать.

‒ Насколько я знаю, этот скрининг принес пользу не только медицине, но и вам, как ученым-математикам. Ваша совместная с Евгением Ивашко и Андреем Черных статья «Планирование заданий для оптимизации виртурального скрининга лекарств» была опубликована в журнале «Journal of Computer-Aided Molecular Design» ‒ авторитетном мировом издании в области биоинформатики…

‒ Да, в продолжение проекта мы разработали математическую стратегию управления вычислениями, позволяющую получать первые результаты виртуального скрининга очень быстро. Таким образом, их можно направить в лабораторию, не дожидаясь досчёта остальных молекул. Ведь процесс виртуального скрининга занимает месяцы. На этот раз работа проводилась совместно с нашим соотечественником Андреем Черных, который живёт и работает в Мексике. Мы реализовали программу, провели эксперименты на тестовой базе данных. Остаётся испытать новую разработку при поиске лекарства от пузырчатки или других заболеваний.

Фото автора

Опубликован в газете "Московский комсомолец" №21 от 16 мая 2018

Заголовок в газете: Логарифмом - по болезням

Что еще почитать

В регионах

Новости региона

Все новости

Новости

Самое читаемое

Автовзгляд

Womanhit

Охотники.ру