Биология

«Расчеты стали занимать важное место при разработке новых материалов»

Лауреат Шуваловской премии о своей работе

Какие шапки носят белки в растворах, как ученые МГУ работают на суперкомпьютере «Ломоносов», что ожидает флуоресцентную микроскопию в будущем, и как темы работы российского химика связаны с Нобелевскими премиями последних лет, рассказывает Мария Хренова, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. За свою докторскую диссертацию «Интерпретация и прогнозирование свойств белковых систем методами суперкомпьютерного молекулярного моделирования» она получила Шуваловскую премию второй степени.

– Насколько престижной считается в научной среде Шуваловская премия? Что получает победитель?
– Премия является престижной в научной среде в целом, при том, что, по сути, она является университетской, на ее получение могут претендовать только сотрудники МГУ. Победитель получает медаль и денежное вознаграждение.

– Как происходит выбор кандидатов – они номинируются сами, или их выдвигают?
– Первоначально весной проводятся Ломоносовские чтения на каждом из факультетов. После этого факультет выдвигает участников, удовлетворяющих определенным требованиям. Выдвигаться могут доктора наук в возрасте до 40 лет.

– Чему посвящена ваша научная работа?
– Моя работа посвящена интерпретации и прогнозированию свойств белковых систем. Если точнее, я занимаюсь молекулярным моделированием и изучаю ферментативные реакции и фотохимические превращения в белках. Идея состоит в том, чтобы первоначально построить молекулярную модель, описывающую свойства экспериментально изученной системы. Далее, получив детальное представление о механизме процесса, можно переходить к следующему этапу, а именно прогнозированию и разработке новых систем с заданными свойствами. Например, детальное понимание механизма реакции в активном центре фермента позволило разработать новый класс ингибиторов этого фермента, имитирующих действие природных соединений, расщепляющихся изучаемым ферментом.

– Вы много занимаетесь флуоресцентными белками. В какую сторону сейчас движется наука в этой области?
– Флуоресцентные белки – не основное направление моих исследований. Наверное, пик интереса к разработке новых флуоресцентных белков типа зеленого флуоресцентного белка (GFP) и его красных аналогов уже проходит. Однако появление белков различных цветов с различными свойствами позволяет перейти к их использованию для целей биоимиджинга, в том числе и на животных. В частности, существуют различные варианты многоцветоной визуализации, когда разные фрагменты клетки или определенные ферменты окрашиваются различными флуоресцентными белками, что позволяет следить за взаимосвязями в работе выбранных объектов. Также после Нобелевской премии по химии 2014 года широкое признание получила флуоресцентная микроскопия высокого разрешения, также использующая флуоресцентные белки.

– В названии вашей темы упоминается суперкомпьютерное моделирование. Значит ли это, что вы работали на суперкомпьютере Ломоносов? Трудно ли ученому получить к нему доступ, большая ли очередь?
– Да, действительно, расчеты выполнялись на суперкомпьютерах МГУ, «Ломоносов» и «Ломоносов-2». Для сотрудников МГУ доступ является бесплатным и осуществляется на основании ежегодных отчетов. На основании представляемых отчетов формируются списки приоритетных пользователей и возможность продолжения использования суперкомпьютеров на следующий год. Для сотрудников других организаций действуют другие правила получения доступа.

– Как я понимаю, в биологических системах и взаимодействиях белков есть множество факторов, которые отбрасываются или не учитываются в расчетах. Насколько результаты, полученные на компьютере, даже самом мощном, могут расходиться с действительностью?

– Безусловно, важным этапом работы является построение адекватной молекулярной модели. Мы применяем комбинированный метод квантовой механики/молекулярной механики (Нобелевская премия по химии 2013 года), позволяющий описывать большие системы, включающие всю белковую макромолекулу и шапку из молекул воды, окружающих белок. При этом важная часть системы, где проходит химическая реакция или фотохимические превращения, описывается методами квантовой химии, а вся остальная часть системы – в рамках классических силовых полей. Такой подход позволяет надеяться, что рассматриваемая система является достаточно адекватной.

– Остаются ли эти расчеты релевантными и полезными, хотя они и неточны? Для чего они могут использоваться на практике?

– Да, конечно. С развитием методов молекулярного моделирования и вычислительных мощностей расчеты стали занимать важное место при разработке новых материалов или соединений с заданными свойствами, например, лекарств.