Загадки природы глазами математиков

Очень трудно, если вообще пока это возможно, увидеть своими глазами, как молекула лекарства встречается в организме человека с мишенью или, например, вредоносной бактерией. Зато можно этот процесс рассчитать и сделать наглядным в виде молекулярного кино. Разобраться в процессе взаимодействия биологически активных молекул с биомембранами позволяет подход, разрабатываемый учеными на кафедре биоинженерии в МГУ им. М.Ломоносова при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (Роснаука) и фонда CRDF.

Проблема, которую исследуют биологи, физики и математики под руководством доктора физико-математических наук Константина Шайтана, действительно очень интересная. Почему и каким образом различные молекулы, в том числе и заряженные, попадают внутрь живой клетки, даже если этому противоречит, казалось бы, сама природа этих молекул? Как вообще взаимодействуют биологически активные вещества, в том числе и лекарства, с окружающей клетку мембраной? Будет ли проявлять активность, причем нужную, то или иное вещество? Ответить на эти вопросы помогает компьютерное молекулярное моделирование. Необходимое программное обеспечение и методики молекулярного моделирования как раз и разрабатывают ученые на биофаке МГУ.

Разумеется, в рамках одного проекта невозможно разработать молекулярные модели вообще для всех лекарств и всех клеточных мембран. Поэтому авторы сознательно ограничили свой выбор. Из почти бесконечного разнообразия биологически активных соединений ученые остановили свой выбор на сравнительно коротких, длиной до нескольких десятков аминокислотных остатков, пептидах, а в качестве модели клеточной мембраны использовали фосфолипидный бислой — потому что мембраны клеток состоят по большей части как раз из таких структур.

«Взаимодействие пептидов с липидными мембранами проявляется во многих биологических процессах, — поясняет Константин Вольдемарович. — Например, противомикробные пептиды (обычно электрически заряженные) присоединяются к мембранам микроорганизмов, повышают их проницаемость и тем самым убивают микробов. Другие пептиды уменьшают стабильность мембран, провоцируя их слияние. Третьи вообще мало понятым образом проникают внутрь клеток, преодолевая мембранный барьер. То есть экспериментально факт воздействия пептидов на мембраны клеток доказан, а вот механизм этого явления до сих пор окончательно не установлен. Разобраться в этих явлениях и поможет компьютерное молекулярное моделирование».

Очевидно, что система «пептид — вода — мембрана» чрезвычайно сложна. Общий план действия коллектива ученых таков: сначала разработать модель липидного бислоя в водном окружении, затем изучить взаимодействие пептида и пептидных комплексов с поверхностью этой мембраны, потом выяснить, каким образом и под действием каких сил пептид может проникнуть в мембрану. В результате авторы надеются научиться предсказывать, каким образом проникающая способность пептидов в липидные бислои зависит от аминокислотной последовательности и распределения зарядов вдоль нее.

Разумеется, критерием правильности модели будет практика — то есть физические величины, полученные для подобных систем уже не в компьютерном, а в лабораторном эксперименте. Оформить результаты авторы собираются в виде, конечно, таблиц, графиков (это уж как водится у ученых), а еще — в виде компьютерных фильмов.

Только вот персонажи этих фильмов — молекулы липидов, воды и пептиды двигаться будут не по приказу режиссера-ученого, а сами по себе, но в строгом соответствии с теми законами природы, знание которых использовали ученые при создании модели. И это их движение поможет, надо надеяться, понять механизмы взаимодействия различных веществ с клеточными мембранами, разгадать многие секреты и создавать новые лекарства направленного действия. И не тратить время и силы на синтез десятков и сотен тысяч кандидатов в лекарства, из которых эффективны будут лишь единицы.