На прошлой неделе российская компания Visual Science показала первую в мире модель вируса Зика атомного разрешения. По словам ее создателей, изображения, сделанные на основе этой модели, — самые подробные и научно достоверные из всех, что есть на сегодняшний день. Вирусами компания занимается уже не первый год, в ее «Зоопарке» есть и ВИЧ, и Эбола, и грипп, многие другие. О том, по каким стандартам работают в Visual Science и почему свои модели авторы называют самими точными в мире, журналист N+1 поговорил с основателем компании Иваном Константиновым.
«N+1»: Когда началась работа над созданием модели вируса и сколько времени она заняла?
И.К.: Для нас это рекордная по срокам работа. Обычно большие и сложные вирусы занимают восемь-девять месяцев моделирования. В случае с Зика мы бросили на работу все наши ресурсы и справились за три недели.
— Я так понимаю, что интерес к этому вирусу связан с наблюдаемой сейчас вспышкой и возможной эпидемией вируса в Северной Америке?
— Вообще, мы никогда не делали свои модели под какие-то глобальные события, «к случаю». Даже вирус Эбола, изображение которого использовалось практически всеми мировыми СМИ во время недавней вспышки 2014 года, был «сделан» задолго до самой вспышки. Мы выбираем вирусы исходя из того, насколько они распространены и опасны, насколько интересна их структура. И, конечно, насколько хорошо она изучена. Но модель вируса Зика — это для нас первый опыт такого «скоростного» моделирования.
— Сколько ваших сотрудников работало над моделью?
— Всего восемь человек.
— Вы говорите о своих моделях как о «самых научно достоверных изображениях» из тех, что существуют на сегодняшний день. В связи с этим возникают два вопроса. Во-первых, что это значит, что вы в вкладываете в понятие «научной достоверности» по отношению к модели? И, во-вторых, как эта достоверность достигается?
— Следует прежде всего сказать, что наша компания основана молекулярными биологами и специалистами по биоинформатике. Поэтому наш научный бэкграунд определяет то, как мы подходим к моделированию. В основе нашего моделирования — упор на научную экспертизу, которая позволяет избежать тех ошибок, которыми изобилуют модели, если над ними работают исключительно дизайнеры и художники. Где в работе над моделью нет научной составляющей.
При создании каждого вируса мы работаем по следующей схеме. Сначала анализируем все доступные публикации, которые касаются его структуры, на основе чего составляется глобальный обзор литературы, формируемый по неким определенным внутренним стандартам. Мы определяем, какие из компонентов вируса изучены полностью — для каких из них есть данные рентгеноструктурного анализа, а какие не изучены. Для каждого из компонентов определяем, каких его фрагментов нет в опубликованных структурах. Метод рентгеноструктурного анализа предполагает, что многие участки белка, которые сложно кристаллизовать — трансмембранные фрагменты, участки с подвижной структурой и так далее — могут отрезаться, так что их просто нет в опубликованных данных. Мы находим эти недостающие фрагменты и достраиваем их структуру на основе тех методов, которые сейчас используются для этого в науке (это данные о структуре родственных белков и методы молекулярной динамики).
На следующем этапе мы проводим предсказание белок-белковых взаимодействий внутри вируса: какие белки и какими поверхностями друг с другом контактируют в вирионе, как именно устроены белковые комплексы. Рентгеноструктурный анализ информацию об этом обычно не дает, потому мы обращаемся к методам молекулярного докинга.
Бывает, что строение компонентов некого вируса нам вообще пока не известно. В таком случае приходится использовать данные о родственных вирусах как шаблоны для новой структуры. Это тоже довольно распространенная методика в науке, для этого разработаны специальные протоколы, которые мы и используем при моделировании.
Наиболее дискуссионным моментом модели почти всегда является упаковка генома вируса. Это очень сложная задача, которая часто просто не может быть однозначно решена существующими методами. Поэтому мы всегда говорим, что показываем в модели только возможный вариант укладки генома. Мы, конечно, стараемся максимально полно предсказать для генома ДНК-белковые или РНК-белковые взаимодействия, пытаемся установить методами биоинформатики элементы третичной пространственной структуры РНК-геномов. Но абсолютно достоверно это сделать сейчас невозможно. Это самостоятельная, большая и интересная научная задача.
Плюс ко всему для каждого проекта мы отбираем наиболее авторитетных экспертов, которые посвятили многие годы изучению того или иного вируса, проводим с ними консультации. В случае вируса гриппа, например, это была группа Хайме Мартина-Бенито из Испанского национального центра биотехнологий и ряд других исследователей. Для ВИЧ это был Егор Воронин из Global HIV Vaccine Entreprise. При моделировании Эбола мы общались с Рональдом Харти из Университета Пенсильвании.
— А Зика?
Вирус Зика — довольно экзотичная вещь, он долго был обделен вниманием ученых. В данном случае не было каких-то крупных научных групп, которые были бы лидерами в этом вопросе и могли нам помочь. К счастью, это вирус достаточно простой, и особой необходимости привлекать сторонних консультантов в данном случае не возникло, мы справились своими силами. Уже после того как модель была готова, мы получили ряд минорных комментариев, касающихся, например, глубины погружения в мембрану трансмембранных фрагментов белков.
— Что было самым сложным при создании этой модели?
— Наверное, пространственная организация упаковки генома. Это всегда сложно.
— У какого процента белков в случае вируса Зика уже есть рентгеновские структуры, а что вам приходилось восстанавливать методами моделирования по-аналогии?
— Пока кристаллографические данные о структурах белков непосредственно вируса Зика недоступны, так что все пространственные модели были сделаны на основе прочитанного генома и близких белков из родственных вирусов Денге, лихорадки Западного Нила или желтой лихорадки.
— Вирус Зика — последнее пополнение в вашем «Зоопарке вирусов». Расскажите, пожалуйста, что это за проект и какие цели вы перед ним ставите.
— «Зоопарк» — это первая в мире попытка создать коллекцию научно достоверных моделей вирусов человека с атомным разрешением. Дело в том, что вирусы слишком маленькие для того, чтобы изучать их методами, которые подходят для исследования клеток. С другой стороны, они слишком большие, чтобы работать с ними как с белками и получать рентгеновские структуры. Получается, что мы довольно много знаем о строении отдельных вирусных компонентов и о том, как вирусы ведут себя в клетках. Но увидеть вирусы своими глазами, рассмотреть их во всех подробностях можно только с помощью компьютерного моделирования.
Тут есть даже некоторый парадокс: любой ребенок знает, как выглядит далекий от нас Марс, но на что похож вирус гриппа, которым мы все болеем ежегодно, знают немногие. Собственно, из этого желания — показать людям красоту и сложность микро- и наномира — и вырос наш «Зоопарк вирусов». Это прежде всего просветительский и образовательный проект, и мы рады, что многие наши изображения уже попали на страницы ведущих учебников.
— Не могу не спросить: мой любимый гигантский мимивирус попадет в «Зоопарк»?
— Мимивирус, конечно, очень большой. Правда большой. Но он не заражает человека, а «Зоопарк вирусов» прежде всего о вирусах человека. И, к тому же, мимивирус довольно плохо изучен. Надо понимать, что в наших моделях всегда представлены все молекулы, которые есть в вирионе, даже отдельные липиды мембраны. Поэтому даже в случае с Эболой счет молекул уже идет на миллионы, и моделирование требует очень больших ресурсов. В этом смысле мимивирус, который по размеру оставляет позади некоторые бактериальные клетки, выглядит, конечно, устрашающе. Видимо, для его моделирования нам потребуется разработать особый подход, так что это задача не ближайшего будущего. Пока мы сфокусированы на более изученных и распространенных вирусах — вирусе герпеса, гепатитов и еще десятке других.