Как суперкомпьютер создает лекарства

Ученые МИЭМ НИУ ВШЭ смоделировали структуру белка, открывающую перспективы разработки лекарств нового поколения.

авторы исследования:

Алена Лихоносова, выпускница магистерской программы «Математические методы моделирования и компьютерные технологии» Московского института электроники и математики (МИЭМ) НИУ ВШЭ.

Роман Ефремов, профессор Департамента прикладной математики МИЭМ НИУ ВШЭ, замдиректора Института биоорганической химии РАН, руководитель Лаборатории моделирования биомолекулярных систем РАН.

Современные лекарства рождаются не только в химических лабораториях. Медпрепараты сначала можно моделировать виртуально, на уровне молекул: открывать и тестировать молекулярные соединения с помощью вычислений на суперкомпьютерах.

Новая модель такого соединения построена Аленой Лихоносовой, выпускницей 2016 года магистерской программы «Математические методы моделирования и компьютерные технологии» МИЭМ НИУ ВШЭ.

Исследование «Структурно-динамическое поведение пептида α-гарпинина Tk-hefu2 в воде по данным компьютерного моделирования», проведенное на стыке математики, информатики, физики и биологии, открывает возможности для появления лекарств, регулирующих работу калиевых каналов, которые обеспечивают жизнедеятельность клеток организма человека. Статья по результатам исследования была опубликована в рецензируемом научном издании "Наноструктуры. Математическая физика и моделирование".

Первым делом молекулы

Калиевые каналы — это мембранные белки, вовлеченные в разные физиологические процессы. Через эти каналы (у человека их около 40 типов) перемещаются ионы, позволяя клеткам «общаться» с внешним миром.

Нарушения в работе калиевых каналов приводят к развитию нейродегенеративных, сердечно-сосудистых и прочих заболеваний. Глубокое понимание того, как действуют каналы, является основой для разработки инновационных медицинских препаратов в борьбе с эпилепсией, сердечной аритмией и многими другими патологическими состояниями.

Чтобы создать лекарства, важно знать, как каналы регулируются на уровне отдельных молекул, то есть расшифровать ранее неизвестные молекулярные механизмы их работы, определить структуры участвующих в этих процессах ключевых белков.

Самый прогрессивный способ сделать это — компьютерное моделирование. Алена Лихоносова с его помощью предложила модель пространственной структуры ранее синтезированного белка (пептида) Tk-hefu2.

Мутанты — для здоровья

Исследование проведено на компьютерах Лаборатории моделирования биомолекулярных систем Института биоорганической химии РАН под руководством профессора Романа Ефремова методом молекулярной динамики (который гоняет, как в бильярде, шарики атомов — одновременно порядка 10⁷ штук — и позволяет виртуально создавать из них устойчивые конфигурации).

В качестве стартовых использовались модели схожих пептидов. В них целенаправленно вносили изменения — точечные мутации. В итоге были построены новые модели двух часто встречающихся состояний белка Tk-hefu2.

Модели пространственной структуры двух отличающихся состояний белка Tk-hefu2

Результаты компьютерных экспериментов показали, что биологически активным, способным блокировать работу калиевых каналов, является лишь одно из двух состояний. Это сделано чисто математически, без проведения длительных и дорогостоящих биологических опытов.

Установлено, какое именно состояние следует брать за основу новых искусственных пептидов-мутантов, прообразов лекарств, которые смогут избирательно воздействовать на свои мишени в клетке — молекулы калиевых каналов. Это подход современной биомедицины, подразумевающий адресное действие на молекулярном уровне вместо традиционного лечения с «массовыми химическими атаками» на организм.