Новый метод расчета белкового взаимодействия ускорит разработку лекарств

Биологи и математики из МФТИ, университета Стони Брук и других научно-исследовательских центров научили компьютер в 10 раз быстрее предсказывать строение “сцеплений” белков в клетке. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA.

“Новый подход позволяет моделировать взаимодействия белков на уровне генома. Это приведет к лучшему пониманию того, как функционируют наши клетки и позволит разрабатывать лекарства от болезней, вызванных “ошибочными” белковыми взаимодействиями” - говорит Дмитрий Козаков, профессор университета Стони Брук и  адъюнкт-профессор МФТИ.

Дело техники

Чтобы из всевозможных вариантов расположения двух больших молекул относительно друг друга получить такую, которая существует в реальном мире, ученые решают следующую задачу: даны два белка с известной структурой. Необходимо предсказать, как будет выглядеть их “стыковка”. Это так называемый метод жесткой стыковки, когда строение элементов задано и надо собрать из них выгодную конфигурацию. В научной терминологии такая задача называется “белок-белковый докинг”, сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию Planet Today.

В новом алгоритме белки описываются в системе радиально-сферических координат, которая сама по себе максимально приближена к форме белка. Это позволяет разделять белки на “функциональные блоки” и решать задачу в более простой форме. Источник изображения: пресс-служба МФТИ.

На первый взгляд задача кажется простой и понятной: собрать такую структуру белков, - дело техники, почти то же самое, что собрать детский конструктор. Но, по словам ученых, если провести аналогию с тем же “Лего”, вычислительную сложность такой операции можно сравнить с составлением всех возможных пар из 10 000 начальных блоков конструктора.

Реальная структура белкового комплекса вместе с ансамблем альтернативных структур, отобранных с помощью нового алгоритма. Источник: предоставлена автором статьи

Идея исследователей состояла в том, чтобы представить белки как сочетание “квантовых поверхностей” - некоторых блоков, описываемых математическим аппаратом квантовой механики. Такой подход позволяет одновременно рассчитывать взаимодействие многих пар белковых участков между собой, а не оценивать каждую пару независимо. Новый метод может работать до 100 раз быстрее лучших из существующих ранее, при этом оставаясь точным. По словам ученых, такая программа “считается” 15 минут на персональном компьютере и является серьезной альтернативой экспериментальным методикам определения белковых взаимодействий.

Новый алгоритм скоро станет частью популярной автоматической системы расчета белок-белкового взаимодействия ClusPro.  Ресурс, ранее разработанный авторами статьи, сегодня насчитывает более 15 000 пользователей по всему миру.  На последнем соревновании среди специалистов по определению структуры белков CAPRI (Critical Assessment of PRotein Interactions - критическая оценка предсказания взаимодействия) сервер ClusPro признан лучшей автоматической системой для расчета белок-белкового взаимодействия.

“В обычной клетке осуществляются тысячи различных белковых взаимодействий. Объяснение этих взаимодействий помогает описывать важные процессы: работу организма в целом и методов лечения некоторых заболеваний (например, рака)” - комментирует исследование Дмитрий Козаков.

Соавторами статьи также являются Андрей Казенов, аспирант МФТИ и Дмитрий Подгорный, выпускник магистратуры МФТИ и аспирант университета Стони Брук.

Исследование поддержано грантом 14.A18.21.1973 Министерства образования и науки Российской Федерации.