Личный опыт: я моделирую противовирусные препараты

Чем занимается специалист в области вычислительной химии?

Я занимаюсь молекулярным моделированием в области медицинской химии. Говоря проще, решаю вычислительные задачи, которые возникают при поиске и создании лекарственных средств, а именно – противовирусных препаратов.

Как выглядит ваше рабочее место?

Теоретически я могу заниматься расчетами из любой точки мира, но в лаборатории я пользуюсь обычным стационарным компьютером, связанным с кластерным суперкомпьютером большой вычислительной мощности. Кроме этого мне нужны только ручка, бумага и Zoom, чтобы общаться с коллегами.

В чем отличие химиков, которые занимаются расчетами, от тех, кто ставит эксперименты? Вы не смешиваете вещества в пробирке, стоя под вытяжным шкафом?

Да, у нас разные инструменты для работы: мне нужен только ноутбук с программой для вычислений и быстрый интернет. Многие думают, что специалисты по расчетам запускают программу на компьютере и идут пить кофе; ждут, когда расчет закончится, еще раз нажимают на кнопочку, и данные сами оформляются в красивую таблицу. Но, конечно, это не так: я начинаю любое исследование с погружения в тему и читаю много специфической литературы по биологии, медицине и фармакологии.

Я не провожу много времени в халате, зато могу ответить на более фундаментальные вопросы: как именно будет протекать реакция между веществами, пойдет ли она вообще и будет ли соединение обладать биологической активностью – а это главный вопрос в медицинской химии.

Сколько времени занимает расчет?

Бывают задачи, которые можно выполнить за пару дней, а есть те, что решаются не меньше чем за год. Допустим, вещество, которое вы синтезировали, показало улучшение когнитивных функций: грубо говоря, мыши были глупыми, а стали умными. Вы приходите ко мне и спрашиваете: «У нас мыши поумнели. Не можешь сказать, почему?» Но я не смогу вам ответить: за когнитивные функции отвечает целый ряд рецепторов, у каждого из которых есть несколько подтипов. Просчитать каждый из этих вариантов я, в принципе, смогу, но отвечу вам не раньше чем через год-полтора. А если мне приводят дополнительные данные, вроде: «Кажется, мыши поумнели, потому что вещество воздействовало на АМРА-рецептор», – тогда я довольно быстро проверю, так это или нет.

Зачем моделировать поверхностные белки вирусов?

Поверхностные вирусные белки представляют для меня особый научный интерес. Например, в состав оболочки вирусной частицы гриппа входят «шипы» поверхностного белка – гемагглютинина, отвечающего за связывание вириона с клеткой-мишенью и ответственного за заражение клетки Я же, используя методы молекулярного моделирования, пытаюсь найти биологически активные вещества – маленькие органические молекулы, которые могли бы подавить его активность. Кстати, у гемагглютинина вируса гриппа и S-белка коронавируса SARS-CoV-2 похожий механизм проникновения в клетку-хозяина.

Конечно, я начинаю свои исследования не на пустом месте. Допустим, мои коллеги-экспериментаторы обнаружили несколько соединений, проявляющих выраженную активность против гриппа. Мы проводим ряд дополнительных исследований, чтобы выяснить, в какой момент жизненного цикла вируса они наиболее активны: в первые часы или на протяжении нескольких суток. От этого зависит, когда нужно будет принимать лекарство, полученное на основе исследуемых соединений: после первых симптомов простуды или на протяжении всего периода болезни. Например, активность гемагглютинина проявляется именно в первые часы заражения.

Моя работа начинается после того, как определен белок вируса, на который будет действовать соединение, которое мы изучаем. Используя научные программы, я исследую модель этого белка, например, гемагглютинина и ищу в его структуре полости, в которые можно «положить» обнаруженное нами соединение. Если оно хорошо укладывается в полость и в течении продолжительного времени симуляции остается связанной с веществом, можно осторожно предположить, что это именно та молекула, которая, возможно, будет способна побороть болезнь.

Результаты теоретических расчетов мы сопоставляем с данными биологических экспериментов, и если результаты исследования совпадают с данными, которые получил экспериментатор, можно отмечать первый шаг к успешному открытию и пить шампанское.

Как создаются лекарства?

Как правило, все, кто работает в области медицинской химии, знают друг о друге. Это похоже на сарафанное радио. Я удаленно сотрудничаю с коллегами из Екатеринбурга, Новосибирска, Барнаула, Санкт-Петербурга и Москвы: у всех нас – похожие задачи.

Для исследования по медицинской химии в команду должны входить химики-органики, теоретики, фармакологи, которые работают с животными, и биохимики-генетики, которые работают с клетками. С такой командой можно создавать лекарство против вируса или от любого заболевания. Химия очень многогранна, и ни в какой ее области ученые еще не достигли предела.

Например, мои коллеги из Новосибирска синтезировали замечательную маленькую молекулу – камфецин: совершенно не токсичное соединение, которое проявляет выраженную активность против нескольких штаммов вируса гриппа. Мне посчастливилось его исследовать и описать механизм его противовирусного действия. Соединение очень перспективное: сейчас получено разрешение на клинические испытания. Но создание нового препарата занимает десятилетия, включая клинические испытания, эксперименты и регистрацию. Так что это только начало: впереди долгая работа, которая, возможно, приведет к тому, что камфецин станет новым лекарственным препаратом. Мы в это верим.

А что происходит, когда нужно создать лекарство от какого-то нового заболевания? Например, от коронавируса?

Сейчас мы только в начале пути изучения коронавируса, как и весь мир в этом вопросе. Ученые изучают этот вирус, начиная с симптомов вызываемой болезни до молекулярного моделирования вирусных частиц, а пласт научно-исследовательских работ, появившийся с января этого года, все растет и растет.

В Уфимском институте химии исследованиями по коронавирусу сейчас занимаюсь я. Коллеги из Новосибирского университета органической химии синтезировали соединения, которые могли бы ингибировать S-белок (spike, «шип»-белок) коронавируса, который проникает в клетку-хозяина, вызывая заражение здорового человека. Сейчас на нем проводятся предварительные биологические эксперименты. После этого мы начнем выполнять расчеты. Будет ли результат успешным? Я не знаю. Может, мы что-то и найдем, а может, потратим на исследования много времени и денег, но ничего не выйдет – это наука, так бывает.

В науку идут люди, готовые посвящать ей все свое время?

Бывает, конечно, что смотришь на коллегу, и думаешь: «Ботаник». Но хотя мой основной круг общения состоит из ученых, я не могу вспомнить человека, жизнь которого была бы ограничена только научной литературой, вытяжным шкафом и микропрепаратами. Не думаю, что научный сотрудник не пойдет на концерт The Prodigy или не отправится в путешествие: все мы – разносторонние личности с удивительными хобби. Я в этом году в августе, например, поднялась на Эльбрус.

Какой стереотип про химиков вас раздражает?

Чаще всего, когда люди узнают, что я химик, первым делом спрашивают, могу ли я сварить какие-нибудь запрещенные вещества: людям вспоминается сериал «Во все тяжкие».

Еще одно клише – ученый-одиночка, который проводит опыты в собственной лаборатории. Но это ведь невозможно: такие эксперименты стоили бы больших денег, да и одновременно разбираться в столь многих вещах: уметь синтезировать вещества, изучать их свойства и понимать, как они взаимодействуют – довольно сложно. Такой ученый должен даже в лабораторных мышах разбираться. Хотя я понимаю, как проводятся большинство опытов in vivo, если вы спросите про строение мышей, используемых в лаборатории, я отвечу только, что у них четыре лапы, хвост и голова.

Почему считается, что химия – сложная наука для изучения?

В 98% случаях знакомые, не работающие в области химии, говорят, что эта наука не давалась им со школы. Думаю, все зависит от учителя в школе и от того, как он заинтересовал ученика этим предметом. Какие навыки нужны любому ученику, чтобы начать изучать химию? В принципе, только умение различать элементы в таблице Менделеева.