Белок — составная часть животных и растительных организмов. В каждой клетке живого существа одновременно происходят сотни тысяч белковых взаимодействий. Чтобы разработать верный и безопасный механизм лечения опасных болезней, нужно понимать, как эти взаимодействия происходят: как один белок взаимодействуют с другим и какие у этого последствия. Есть два пути изучения: компьютерное моделирование и дорогостоящие лабораторные исследования. Оба пути медленные и трудоемкие.
Профессор Университета Иннополис Ярослав Холодов с коллегами разработал альтернативный метод моделирования, который в 10-100 раз ускоряет изучение взаимодействия белков.
— Теперь можно провести исследования и изобрести лекарство от ВИЧ, рака, да и вообще любых заболеваний в сотни раз быстрее, — рассказал «Хайтеку» Холодов. — Спустя 10-15 лет об этих болезнях будут узнавать из учебников истории, как сейчас про чуму.
Ученые близки к созданию первой эффективной вакцины против ВИЧ
Новости
Современные лекарства первым делом оказывают действие на разные виды белков. Из-за несовершенства исследовательского аппарата выходит так, что при той же химиотерапии помимо пораженных раком клеток, страдают в том числе и здоровые. Раньше на этапе исследований не было возможности установить и устранить подобные побочные эффекты. Алгоритм Холодова позволит отметать пары белков, чье взаимодействие приводит к пагубному влиянию на организм. Высокая скорость вычислений позволит создать лекарство, действующее только на определенную группу белков. Действие таблеток станет адресным.
Подобные исследования хоть и вызывали большой интерес ученых, но не отличались массовостью. Лабораторное изучение взаимодействий требует больших ресурсов и финансовых затрат, а старые алгоритмы моделирования хоть и более доступны, чем лаборатории, но слишком медленные, чтобы ждать от них серьезных результатов. Команда разработчиков решила, что оптимально будет работать над ускорением компьютерного моделирования.
Задача заведомо сложная — для нахождения правильной ориентации двух белков необходимо проанализировать миллиарды различных конфигураций. И проблемой аналогичных алгоритмов было то, что они исследовали каждую такую конфигурацию по отдельности. Новый алгоритм проводит анализ всех конфигураций одновременно.
Алгоритм избавляет от ненужных анализов и лишних лекарств
Идеи
Сейчас разработкой может воспользоваться любой желающий, так как она стала основой публичного вычислительного сервера ClusPro. На сегодняшний день 10,000 исследовательских групп пользуются сервисом в своих научных исследованиях. Высокая скорость вычислений никак не повлияла на точность, более того алгоритм чаще любого аналога угадывает верную структуру белок-белкового комплекса, это было установлено на мировом чемпионате компьютерных систем прогнозирования белковых комплексов.
Несмотря на конкретные результаты команда не планирует останавливать работы над алгоритмом.
— Процесс разработки бесконечный, хотя бы просто потому, что мы проводим наши расчеты на очень грубом размерном приближении. Мы огрубляем структуру белка, чтобы сократить время расчета. Каждый белок содержит десятки тысяч атомов и если бы мы проводили расчеты на атомарном масштабе, то каждый из расчетов занимал бы не один месяц компьютерного времени, — ответил Ярослав Холодов на вопрос о дальнейших планах. — Ускорение работы существующего алгоритма можно получить за счет использования графических ускорителей (GPU) при расчете белкового взаимодействия, этим и планируем заняться. В Иннополисе созданы условия для научной работы, не уступающие ведущим западным университетам. Сейчас я хочу дальше приносить пользу, в первую очередь своей стране.