Молекулярный дизайн: одесские ученые прогнозируют лекарства от смертельных болезней

Дню науки, который Украина будет отмечать в эту субботу, посвящается.

В 2013 году Нобелевскую премию по химии получили трое ученых с мировым именем: американец австрийского происхождения Мартин Карплюс, британец Майкл Левитт и израильтянин Арье Уоршел. Они создали программу, способную моделировать сложнейшие химические системы, в том числе реакции лекарственного препарата с белком-мишенью в организме. Зачем это нужно? Зная, как именно выглядит структура химических систем, что именно в тот или иной момент времени происходит с атомами вступивших во взаимодействие веществ, можно с очень высокой степенью вероятности прогнозировать результаты самых сложных реакций. Ученым удалось в одной модели объединить методы классической и квантовой физики, тем самым, как в шутку написали в заключении Нобелевского комитета, подружив наконец-то Исаака Ньютона и кота Шредингера.

Мало кто знает, что одесские ученые, сотрудники физико-химического института им. А. В. Богатского, не отстают от своих зарубежных коллег. Они, хоть и в более специализированном направлении, без квантовой химии, но тоже работают над моделированием сложных химических систем. Анализ моделей, созданных научной группой под руководством доктора химических наук, профессора Виктора Кузьмина (в нее, кроме химиков, входят биологи и фармацевты), позволяет предсказывать эффективность того или иного препарата и целенаправленно создавать лекарственные средства. По-научному это звучит более чем серьезно — «поиск количественных соотношений структура-активность/свойства (QSAR/QSPR)», но Виктор Кузьмин ласково называет свою работу «молекулярным дизайном».

Одесские ученые не стоят в стороне и от главной тенденции последних лет – разработки приложений для мобильных компьютеров, в том числе смартфонов и планшетов.

Виктор Кузьмин, троюродный брат погибшего в авиакатастрофе президента Польши Леха Качиньского, окончил химический факультет Одесского национального университета. Был аспирантом самого Алексея Богатского, занимаясь проблемами органического синтеза.

«30 лет назад был один путь — все синтезированные вещества, согласно государственному постановлению, сдавали в институт биологических испытаний природных соединений в Старой Купавне под Москвой. С надеждой — а вдруг пригодится. Иногда создавали вещества по аналогии с уже существующими. В этом случае вероятность получить искомое свойство вещества была выше, однако процесс все равно оставался очень ресурсозатратным».

В середине 1960-х появились первые работы Корвина Хэнча (Corwin Herman Hansch), американского ученого, положившего начало широкому использованию математических методов в прогнозировании свойств и создании лекарственных препаратов. В нашей стране такое направление тоже существовало, но развивалось со скрипом, в первую очередь из-за отсутствия персональных компьютеров. Как вспоминает Виктор Кузьмин, впервые он смог работать на ЭВМ в институте связи имени Попова. Это была машина «Искра». Ученому выделяли всего несколько машинных часов в день.

«Когда появились персональные компьютеры, все упростилось. Сейчас в нашем отделе работают химики, умеющие программировать и делающие это достаточно квалифицированно, — говорит специалист. — В одесском институте и многих других создают новые лекарственные препараты, и наша работа заключается в том, чтобы свести к минимуму материальные и временные затраты на создание лекарства. Сейчас, чтобы создать и внедрить инновационный лекарственный препарат, нужно примерно 12-15 лет времени, усилия нескольких тысяч специалистов, исследования десятков тысяч соединений, и стоит все это удовольствие больше миллиарда долларов. Благодаря нашей работе, которая является первым шагом к синтезу интересующего нас препарата, большую часть затрат можно свести к минимуму».

В двух словах, метод QSAR заключается в следующем. Структурные формулы веществ, которые проявляют ту или иную активность, переводят в набор цифровых характеристик (огромный массив чисел!), определенные группы которых отвечают тем или иным свойствам веществ. Это могут быть любые показатели, от биологической активности до растворимости. А дальше с помощью математической статистики устанавливают связь между двумя наборами чисел, вычленяя из множества не важных для решения задачи параметров несколько необходимых, и на основе этих данных моделируют структуру молекулы необходимого вещества, обладающего нужными свойствами.

«Этот метод позволяет смоделировать любое новое вещество, вплоть до лекарства от смертельно опасных инфекций», — отмечает ученый.

Интересно, что для решения таких задач не нужны сверхмощные компьютеры. Вполне достаточно возможностей простых планшетов. Именно поэтому одесские ученые ломают голову над тем, чтобы втиснуть сложный химико-математический инструментарий в рамки приложения для мобильных устройств. Но это будет не какая-то там игрушка!

«Данное приложение — это мощный и сложный инструмент, требующий соответствующих знаний, — уточняет Виктор Кузьмин. — К примеру, мы построим модель прогнозирования какого-либо свойства и выложим ее на сайт. Наш коллега-ученый летит на конференцию. А настоящий синтетик — он как композитор, способен создавать новые вещества в уме. И вот пришла ему мысль в голову: «А если я синтезирую вот такое вещество?» С помощью нашего приложения он сможет проверить свое соединение на токсичность, узнать, какая у него будет растворимость, биологическая активность и многое другое, не выходя из самолета».

В основном работы научной группы связаны с биологией и фармакологией, но не ограничиваются этими дисциплинами. Они создают жидкокристаллические системы для оптоэлектроники, моделируют катализаторы и люминофоры, есть совместные с зарубежными коллегами наработки по прогнозированию наносистем.

«Сейчас, к примеру, мы корпим над созданием препарата со специфической антиагрегационной активностью для нашего института (антиагрегационные препараты предназначены для предупреждения и лечения осложнений сердечно-сосудистых заболеваний, коронарной и церебральной ишемии, используются в сердечно-сосудистой хирургии, трансплантологии, — Ред.), – рассказывает Виктор Кузьмин, — Подобных веществ на данный момент синтезировано в мире совсем немного, и все они очень дорогие, поэтому перед нами стоит задача создать вещество с теми же свойствами, но на порядок дешевле».

К сожалению, далеко не все препараты, которые смоделировала научная группа Виктора Кузьмина, дошли до аптеки, так как для этого необходимо привлечение коммерческих структур, нужна работа синтетиков и целый комплекс биологических и медицинских испытаний.

Вместе с тем, одесский ученый надеется, что крупный бизнес страны дорастет до понимания социальной, моральной и экономической выгоды создания инновационных лекарственных препаратов.

Автор — Александр Гиманов