Что такое виртуальная клетка и как она помогает в разработке лекарств

Системная биология

Еще несколько десятилетий назад ученые из разных областей будто бы жили в своих отдельных мирах. Теперь они все чаще пересекаются. Прогресс в технологиях и увеличение вычислительных мощностей компьютеров привели к развитию междисциплинарных наук. Одна из них — системная биология. Она исследует сложные механизмы взаимодействия в живых системах. 

В открытом доступе и в отдельных базах данных копятся самые разные сведения о живых организмах: о молекулах, производящих их клетки, механизмах, отвечающих за те или иные процессы, и многом другом. Весь этот массив информации помогают обрабатывать и анализировать компьютерные алгоритмы, в том числе основанные на искусственном интеллекте. Но зачем? Что человеку даст этот беспрерывный анализ? 

В первую очередь ученые стремятся изучить и определить все клеточные процессы, допустим, точно узнать, какая реакция последует, когда молекула из точки А попадет в точку Б. Эти фундаментальные знания лягут в основу клинических исследований. Ведь когда молекула не достигла точки Б или достигла ее, но повела себя иначе, могут начаться проблемы, разовьется патологический процесс. Например, иммунные клетки начнут атаковать другие системы в организме (ревматоидный артрит), белки будут накапливаться и мешать работе других систем (болезнь Альцгеймера), клетки перестанут взаимодействовать с гормонами, регулирующими их функционирование (сахарный диабет).

В Научно-технологическом университете «Сириус» не только синтезируют новые лекарства, но и намерены создать виртуальную клетку Фото: Пресс-служба «Сириуса»

В какой момент произошел сбой и к чему он может привести? А что будет, если мы на помощь пострадавшим отправим вот такую молекулу? На все эти вопросы поможет ответить один из главных героев исследований в области системной биологии — виртуальная клетка.

Клеточный полигон

Виртуальная клетка — это компьютерная модель настоящей клетки, которая позволяет изучать механизмы ее работы и отслеживать наиболее вероятные реакции в ответ на изменения внешних и внутренних факторов. Например, чрезмерную активность определенного белка или выброс воспалительных факторов. 

Чтобы построить подобную модель, ученым необходимо задействовать мультиомиксные технологии, объединив данные о ДНК (геномика), белках (протеомика), РНК (транскриптомика) и других типов веществ в клетке. Таким образом, от изучения и построения моделей целого организма исследователи перешли к моделированию на молекулярно-клеточном уровне. Для медицины это чрезвычайно важно, ведь так можно научиться определять первопричину развития патологии и лечить ее, а не просто бороться с симптомами.

Сегодня существуют модели клетки только для простых организмов, таких как бактерии Mycoplasma genitalium и Escherichia coli. Это организмы, геномы которых входят в число самых коротких (у микоплазмы всего 525 генов, у кишечной палочки — от 4,5 до 5,5 тысячи). Данных об особенностях их метаболизма достаточно для построения виртуального образа. С человеческим организмом все намного сложнее — он состоит из множества разных групп клеток. Их взаимодействие исследуют по всему миру уже многие годы.

Федор Колпаков Фото: Пресс-служба «Сириуса»

«Построение математической или компьютерной модели — это систематизация существующего знания о работе клетки. Мы сводим экспериментальные данные в модель, и построение такого виртуального аналога позволит существенно расширить наше понимание работы реальной клетки», — отмечает научный руководитель направления «Вычислительная биология» Научно-технологического университета «Сириус» Федор Колпаков. 

Недавно группа исследователей под его руководством получила поддержку РНФ для создания виртуальной клетки. Такая модель позволит ученым проверять гипотезы на начальном этапе, не прибегая к использованию живых клеточных культур или подопытных животных. Это существенно сэкономит время поиска новых лекарственных мишеней и препаратов, ведь появится возможность моделировать варианты взаимодействия на молекулярном уровне.