• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Магистерская программа «Математические методы моделирования и компьютерные технологии»

Молекулярные лекарства - с помощью математики и суперкомпьютеров

Уходят в прошлое времена, когда созданием лекарств занимались только медики, химики или биологи.  Сейчас математика и информатика позволяют моделировать медицинские препараты на молекулярном уровне, виртуально создавать соединения, не встречающиеся в природе, и тестировать их биологические свойства с помощью суперкомпьютерных вычислений.

Оказывается, это способны делать уже студенты-магистры, причем на самом высоком профессиональном уровне. Магистерская диссертация Алены Лихоносовой ( выпуск 2016 года) посвящена  математическому и компьютерному выявлению структуры  и свойств новых, гипотетических альфа-гарпининов – пептидов, уложенных в две спирали, скрепленных парой специальных связей.


Вообще, пептиды – это куски аминокислот, соединенные прочными связями, образующие цепочки и сети, от самых простых до очень длинных и сложных (они называются тогда белками). Пептиды постоянно синтезируются во всех живых организмах для регулирования физиологических процессов. Свойства пептидов зависят, главным образом, от их первичной структуры — последовательности аминокислот, а также от строения всей молекулы в целом и её конфигурации в пространстве (вторичная структура).



Природные альфа-гарпины – это пептиды с особой биспиральной вторичной структурой, обладающие широким спектром биологической активности, от нейрорегуляторной и ингибиторной до антимикробной. Взяв этот структурный мотив, созданный природой, за основу, можно вначале с помощью компьютерного дизайна виртуально моделировать и тестировать, а затем (в случае успеха виртуального моделирования) уже и реально биохимически синтезировать новые, не встречающиеся в природе, пептиды с желаемыми биологическими функциями. Для того, чтобы успешно проводить подобные нетривиальные биоинженерные операции, сначала необходимо понять, как ведут себя рассматриваемые пептиды в водном растворе, есть ли в их структуре и динамике общие и специфические черты, каким образом пептиды связываются со своими мишенями в клетке. Основываясь на полученной информации, можно рациональным образом проектировать измененные (например, мутантные) формы молекул пептидов, «нацеливая» их на определенный вид биологической активности. Значительную часть данной задачи можно решить методами математического моделирования.

Работа Алены Лихоносовой как раз и была направлена на изучение пространственной структуры и внутримолекулярной динамики нескольких альфа-гарпининов с помощью компьютерных расчетов. Задача заключалась в том, чтобы на основе известного пептида впервые спроектировать новый пептид, блокирующий работу калиевых каналов в клетках высших организмов.

Калиевые каналы обеспечивают жизнедеятельность многих типов клеток, а нарушения в работе каналов приводят к развитию тяжелейших заболеваний – сердечно-сосудистых, нейродегенеративных и др. Поэтому расшифровка фундаментальных молекулярных механизмов регуляции каналов альфа-гарпининами открывает захватывающие перспективы разработки уникальных лекарственных препаратов, регулирующих работу различных групп клеток.

В результате анализа данных, накопленных в ходе вычислений на современных суперкомпьютерах, Алене удалось показать, что изучаемая модель пептидов в воде принимает преимущественно два состояния – две конформации. Более того, с помощью целого ряда методов математического анализа свойств пептидов был сделан вывод о том, что биологически активным (способным блокировать работу калиевого канала) является лишь одно из этих двух состояний. Именно его следует в дальнейшем брать за основу новых искусственных пептидов-мутантов, прообразов будущих лекарств.



Магистерская работа Алены Лихоносовой находится на стыке наук – математики, информатики, а также физики и биологии. Именно такие междисциплинарные проекты сейчас представляют наибольший интерес, т.к. позволяют взглянуть на научную проблему с разных – комплементарных – точек зрения. Алене пришлось освоить большой объем новой информации, получить опыт профессиональной работы в области молекулярного компьютерного моделирования биологических объектов. Она прекрасно справилась с этими трудностями, получила замечательные, оригинальные научные данные, на основании которых в настоящее время готовится статья для публикации в международном высокорейтинговом журнале.

Сама Алена собирается сейчас поступать в аспирантуру. Она закончила магистерскую программу с красным дипломом. Во время обучения получала  повышенную академическую стипендию за особые достижения в учебной и научно-исследовательской деятельности, работала стажером-исследователем в лаборатории "Математические методы естествознания", стажировалась в Летней Школе в Триесте.

Ее магистерская дипломная работа была выполнена под руководством профессора Р.Г. Ефремова, зам. директора ИБХ РАН, руководителя Лаборатории моделирования биомолекулярных систем. Помимо Алены Лихоносовой, практику в этой лаборатории проходят еще два магистра первого года обучения программы "Математические методы моделирования и компьютерные технологии", а также двое студентов третьего курса МИЭМ НИУ ВШЭ. Пример Алены показывает, что студентам, заинтересованным в решении самых передовых научных задач, сделать это вполне под силу. Были бы энтузиазм, хорошая базовая подготовка и стремление к творчеству!