Фото: ru.depositphotos.com

Считаем жизнь: что такое биоинформатика

Расшифровка последовательностей генов давно перестала быть невыполнимой задачей для ученых – при желании даже частные лица могут заказать «распечатку» своего генома. Но чтобы читать книги, недостаточно просто выучить буквы и слова – нужно знать значения этих слов. Именно этим занимается структурная биоинформатика: разрабатывает алгоритмы анализа последовательностей для предсказания пространственной организации белков, от которой зависят их функции.

Словосочетание «биологическая лаборатория» обычно ассоциируется с людьми в белых халатах, гудящими агрегатами и стеллажами с пробирками и мензурками. Сейчас в этой связке обязательно присутствует компьютер, в который вносятся результаты экспериментов. Но данных ежегодно становится все больше, скорость анализа начинает сильно отставать от темпов наращивания информации, и возникает необходимость автоматизировать процесс. У исследователей в области биоинформатики никаких пробирок и халатов нет – их работа связана не с препаратами и реагентами, а с компьютерным анализом биологических данных.

Белки – важнейшая составляющая жизни на Земле – состоят из аминокислот, соединенных в цепь. Типов этих аминокислот 20, и последовательность белка можно представить как очень длинное слово из разных сочетаний 20 букв; собственно, получение такого формального описания первичной структуры молекулы называется секвенированием. Ученые, работающие в области структурной биоинформатики, пытаются «читать» эти описания, понимать, что стоит за последовательностями «букв» и какими свойствами будут обладать данные белки.

Каждая из аминокислот обладает определенными свойствами: гидрофильность, гидрофобность, электрический заряд и так далее. От этих свойств зависит то, как разные участки белковой молекулы взаимодействуют друг с другом и с клеточным окружением. В клетках живых организмов белок синтезируют специальные молекулярные машины рибосомы. После того, как они собирают из аминокислот белковые молекулы, те сворачиваются в определенную пространственную структуру. Как рассказывает соруководитель научно-исследовательского института Университета ИТМО «Биоинженерия» и заведующий лабораторией структурной биоинформатики и молекулярного моделирования Национального центра научных исследований Франции (CNRS) Андрей Каява, именно трехмерная структура определяет функции белка в первую очередь.

Университет ИТМО. Андрей Каява
Университет ИТМО. Андрей Каява

«Недостаточно просто определить последовательность аминокислот в белке. Наша конченая цель – выяснить, какие конкретно функции выполняет белок, для чего он в нашем организме, как он взаимодействует с другими белками, – рассказывает Андрей Каява. – Это давняя проблема – еще лет тридцать назад некоторые ученые думали, что скоро научатся получать структуру белка из последовательностей аминокислот в их составе, но делать это мы до сих пор в полной мере не умеем».

В определенную форму белковые молекулы сворачиваются из-за того, что это им энергетически выгодно. В зависимости от последовательностей аминокислот в белке, он может свернуться в «клубок»-глобулу, вытянуться в нить-фибриллу, образовать структуру в мембране, или же не найти стабильного состояния и не приобрести определенную структуру вовсе. Некоторые белки также могут агрегировать друг с другом и образовывать так называемые амилоидные фибриллы, которые состоят из «стопок» слоев, расположенных перпендикулярно оси молекулы.

Амилоидные фибриллы.
Амилоидные фибриллы.

С образованием амилоидных фибрилл связан класс опасных болезней – нейродегенеративные заболевания, к которым относятся болезни Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона и другие. Механизм их возникновения связывают со спонтанной перестройкой определенных белков, своего белка для каждой из болезней: нерастворимые токсичные бляшки начинают откладываться в клетках головного мозга и вызывают снижение интеллекта, ухудшение памяти и изменение поведения больного. Способность белков складываться в амилоидные фибриллы также кодируется аминокислотной последовательностью, и с помощью биоинформатики возможно исследовать последовательности и предсказать потенциал к образованию таких фибрилл, а значит, и предрасположенность к нейродегенеративным заболеваниям.

«Согласно статистике, к 70-74 годам от болезни Альцгеймера страдает всего 4% населения. Но с возрастом риск растет, если мы берем статистику для людей в возрасте 90-95 лет, то здесь мы имеем уже до 40% больных, – объясняет Андрей Каява. – Если люди хотят найти способ продлить жизнь до 200-300 лет, для начала нам нужно решить эту проблему».

Один из способов раннего диагноза болезней, связанных с амилоидными фибриллами, предлагает научная группа Андрея Каява: метод, описанный в журнале Alzheimer’s & Dementia, позволяет предсказать, заложен ли в геноме конкретного человека повышенный риск или устойчивость к нейродегенеративным заболеваниям. Для анализа была разработана специальная программа ArchCandy, и такой подход потенциально открывает широкие возможности для развития персональной медицины.

Подготовлено по материалам лекции Андрея Каява в Университете ИТМО, которая была организована в рамках международной деятельности научно-исследовательского института «Биоинженерия».

 

Александр Пушкаш,
Редакция новостного портала Университета ИТМО

Архив по годам: