Загадки природи очима математиків

Дуже важко, якщо взагалі наразі це можливо, побачити на власні очі, як молекула ліків зустрічається в організмі людини з мішенню або, наприклад, із шкідливою бактерією. Зате можна цей процес розрахувати й унаочнити у вигляді молекулярного кіно. Розібратися в процесі взаємодії біологічно активних молекул з біомембранами дозволяє підхід, розроблений ученими на кафедрі біоінженерії в МДУ ім. М.Ломоносова за підтримки Федерального агентства з науки та інновацій (Роснаука) і фонду CRDF.

Проблема, яку досліджують біологи, фізики й математики під керівництвом доктора фізико-математичних наук Костянтина Шайтана, справді дуже цікава. Чому і яким чином різні молекули, зокрема й заряджені, потрапляють усередину живої клітини, навіть якщо цьому суперечить, здавалося б, сама природа цих молекул? Як узагалі взаємодіють біологічно активні речовини, у тому числі й ліки, з мембраною, що оточує клітину? Чи виявлятиме активність, причому потрібну, та чи інша речовина? Відповісти на ці запитання допомагає комп’ютерне молекулярне моделювання. Необхідне програмне забезпечення і методики молекулярного моделювання саме й розробляють учені на біофаку МДУ.

Звичайно, у рамках одного проекту неможливо розробити молекулярні моделі взагалі для всіх ліків та всіх клітинних мембран. Тому автори свідомо обмежили свій вибір. З майже нескінченного розмаїття біологічно активних сполук учені зупинили свій вибір на порівняно коротких, довжиною до кількох десятків амінокислотних залишків, пептидах, а як модель клітинної мембрани використали фосфоліпідний бішар — тому що мембрани клітин складаються переважно саме з таких структур.

«Взаємодія пептидів із ліпідними мембранами виявляється в багатьох біологічних процесах, — пояснює Костянтин Вольдемарович. — Наприклад, протимікробні пептиди (зазвичай електрично заряджені) приєднуються до мембран мікроорганізмів, підвищують їхню проникність і тим самим убивають мікробів. Інші пептиди зменшують стабільність мембран, провокуючи їх злиття. Треті взагалі мало зрозумілим способом проникають усередину клітин, долаючи мембранний бар’єр. Тобто експериментально факт впливу пептидів на мембрани клітин доведено, а ось механізм цього явища досі остаточно не встановлено. Розібратися в цих явищах і допоможе комп’ютерне молекулярне моделювання».

Очевидно, що система «пептид — вода — мембрана» надзвичайно складна. Загальний план дії колективу вчених такий: спочатку розробити модель ліпідного бішару у водному оточенні, потім вивчити взаємодію пептиду і пептидних комплексів із поверхнею цієї мембрани, потім з’ясувати, як і під дією яких сил пептид може проникнути в мембрану. У результаті автори сподіваються навчитися прогнозувати, яким чином здатність пептидів проникати у ліпідні бішари залежить від амінокислотної послідовності і розподілу зарядів уздовж неї.

Зрозуміло, критерієм правильності моделі буде практика — тобто фізичні величини, отримані для таких систем уже не в комп’ютерному, а в лабораторному експерименті. Оформити результати автори планують у вигляді, звичайно, таблиць, графіків (це вже як заведено у вчених), а ще — у вигляді комп’ютерних фільмів.

Ось тільки персонажі цих фільмів — молекули ліпідів, води і пептиди – рухатимуться не за наказом режисера-вченого, а самі по собі, але в суворій відповідності до тих законів природи, знання яких використовували вчені, створюючи модель. І цей їхній рух допоможе, треба сподіватися, зрозуміти механізми взаємодії різних речовин із клітинними мембранами, розгадати багато таємниць і створити нові ліки направленої дії. І не витрачати час та сили на синтез десятків і сотень тисяч кандидатів у ліки, з яких ефективними будуть лише одиниці.