Нобелевка по химии: большие открытия могут изменить жизнь миллионов людей
Еще со школы мы помним чеканную формулировку одного из основателей марксизма Фридриха Энгельса: "Жизнь есть способ существования белковых тел". Разумеется, сейчас мы знаем, что жизнь людей не определяется только лишь белками, но без них жизнь в известной нам форме невозможна и белки являются основным материалом при создании живых организмов. И поэтому изучение белков является, пожалуй, главной задачей биохимиков. Такие исследования подразделяются на изучение и установление состава и пространственной структуры белков, предсказание их характеристик, а также на получение не существовавших ранее белков с заданными свойствами.
Именно за конструирование новых белков с помощью компьютерных программ и предсказание их структуры Нобелевскую премию по химии получили американский биохимик и специалист по вычислительной биологии Дэвид Бейкер ("за компьютерное конструирование белков"), а также британский нейробиолог Демис Хассабис и его коллега Джон М. Джампер ("за предсказание структуры белков").
Белки, иначе называемые протеинами или полипептидами, - это органические вещества огромной молекулярной массы, представляющие собой цепочки из аминокислот, связанных между собой так называемой пептидной связью. Последовательность аминокислот в белках определяется генетическим кодом, т.е. наследственностью, но из сотен открытых аминокислот в живых организмах используется только 21 аминокислота, причем восемь из них относятся к незаменимым. Это означает, что аминокислоты валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, триптофан и фенилаланин не могут синтезироваться в организме человека и большинства других животных, а должны поступать вместе с белковой пищей (это создает, в частности, некоторые проблемы для полных вегетарианцев - веганов).
В организме человека белки выполняют множество функций. Гемоглобин переносит кислород в крови, из белков состоят антитела иммунного ответа, мы видим окружающий мир благодаря родопсину глаза, из белков состоят все ферменты организма, без которых он не мог бы функционировать. И, наконец, все ткани организма в основном состоят из белков.
Для осуществления своих функций аминокислотная цепочка белка сворачивается в трехмерную структуру, такой клубок, в котором отдельные аминокислоты соединены связями различных типов - водородными, ионными и т.д., причем получающаяся трехмерная структура имеет форму, определяемую исключительно аминокислотной последовательностью. Клубок может развернуться, но потом свернуться и принять строго первоначальную форму, хотя теоретически даже при наличии всего 100 аминокислот возможны 10 100 вариантов сворачивания. Это означает, что после установления аминокислотной последовательности белка (сейчас это делается автоматически и очень быстро) биохимик мог бы предсказать его трехмерную структуру.
Предсказание неизвестного
Именно эту задачу и решали новые лауреаты премии британские ученые Демис Хассабис и его коллега Джон М. Джампер. Оба этих ученых работают в компании Google DeepMind и совсем недавно, в 2020 году, они разработали модель искусственного интеллекта AlphaFold2. Для этого шахматный гений, нейробиолог и специалист по ИИ Демис Хассабис (его отец грек, а мать - китаянка) и Джон М. Джампер использовали технологию глубокого обучения, доказавшую свою эффективность в нейросети AlphaGo. Эта нейросеть уже обыграла человека в знаменитой и очень сложной стратегической игре го.
Модель AlphaFold2 оказалась способной находить закономерности в огромных массивах данных, которые указывают на пространственную близость одних аминокислотных фрагментов белка к другим. С помощью этой модели удалось предсказать структуру огромного количества уже идентифицированных белков. Программу AlphaFold2 за неполных четыре года с момента ее создания использовали множество биохимиков из большинства стран мира, где проводятся исследования белков. В том числе и в России, где первые исследования по синтезу белка проводились еще в 1992 году в Институте белка в Пущине и в Институте молекулярной биологии.
Новые белки из компьютера
Интересно, что призовой фонд Нобелевской премии по химии 2024 года в 11 миллионов шведских крон (это немного больше 1 миллиона долларов) была разделена между ее лауреатами не поровну на троих. Одну половину денежного вознаграждения получил американский биохимик Дэвид Бейкер, а вторая половина премии была разделена между Демисом Хассабисом и Джоном М. Джампером. Это может означать, что Нобелевский комитет посчитал работы первого как особо выдающиеся.
И действительно, команда Дэвида Бейкера совершила почти невероятное - ими была разработана компьютерная программа Rosetta, которая на основании огромных баз данных делает предположения о том, как аминокислотная последовательность белка будет сворачиваться в трехмерную структуру. Это делается путем перебора и потребовало несусветных вычислительных ресурсов - некоторые задачи были решены с помощью распределенной сети примерно из 70 тысяч компьютеров. Программа была названа так в честь знаменитого Розеттского камня - гранитной плиты из городка Розетта в Египте, содержащей идентичный текст на трех языках - иероглифическом и "народном" древнеегипетском и древнегреческом. Благодаря этому были расшифрованы египетские иероглифы.
Самое интересное, что эта программа позволила не только предсказывать структуру белка, но и создавать, проектировать белковые молекулы, не существующие в природе. Еще в 2003 году Дэвид Бейкер с сотрудниками впервые в мире опубликовали трехмерную структуру не очень большого белка всего из 93 аминокислот, который не был похож ни на один известный. Причем непохожими были и аминокислотная последовательность, и форма клубка. Рентгеноструктурный анализ этого белка показал полное совпадение с предсказанной структурой - выдающаяся работа.
Жизнь из компьютера
Как видно, все три лауреата премии в своих исследованиях использовали последние достижения - нет, не в традиционной синтетической или аналитической химии, а в создании компьютерных программ и модного сейчас ИИ. Стоит добавить, что за подобное использование компьютеров в 2024 году была получена Нобелевская премия также и по физике! Нобелевский комитет сообщает, что эта премия присуждена Джону Хопфилду и Джеффри Хинтону за вклад в исследование нейросетей.
Но вернемся к премии по химии. Естественно, читателю хотелось бы знать, что означают для нас, обычных людей, работы новых лауреатов самой престижной в мире научной премии. Например, они помогут разузнать, как функционируют в организме человека уже известные белки, создавать новые лекарства и ферменты, которые смогут разлагать пластики, десятилетиями отравляющие нашу планету на свалках. А может быть, и изготовить белковые наномашины, которые будет путешествовать по кровотоку и истреблять вредоносные вирусы и бактерии. А потом, вполне возможно, и создать другую, альтернативную жизнь?
Ольга Вольпина, главный научный сотрудник лаборатории внесинаптической передачи Института биоорганической химии им. Шемякина и Овчинникова РАН, доктор химических наук, профессор:
- Подавляющее большинство функций нашего организма определяется взаимодействием белков, свернутых в трехмерную структуру, т.е. имеющих третичную и/или четвертичную структуру. Поэтому знание пространственной организации белков даст возможность изучить ключевые моменты этих взаимодействий и повлиять или перенаправить такие взаимодействия.
Так, если мы знаем, как взаимодействуют белки, вызывая какой-либо патогенный процесс, можно будет рассчитать и синтезировать молекулу-лекарство, предотвращающую развитие такого процесса. Это очень упрощенная схема создания новых лекарств, но она применима и для разработки вакцин, потому что развитие иммунного ответа - это, в конечном счете, также сложный каскад белковых взаимодействий. Поэтому открытия ученых, сделавших возможным предсказание структуры белков, - это реализованная многолетняя мечта биохимиков, работающих над изучением белковых взаимодействий и созданием новых лекарств и вакцин.