Хімія і Життя

Життя йшло своєю чергою: закінчення університету, два роки роботи в Інституті молекулярної генетики РАН, а паралельно - проекти в області графічного дизайну, 3D, інтерактивних і веб-технологій. І кожен день цього короткого періоду первинного накопичення капіталу - професійного і життєвого досвіду - лише роздував вогонь бажання займатися науковою графікою на найвищому технологічному рівні. Не вистачало лише ідеї, красивою і викликає. До 2007 року вона склалася і знайшла обриси проекту «Парку вірусів» .Удалось швидко зібрати команду однодумців, молодих біологів, хіміків, структурщіков, дизайнерів, і заснувати студію наукової графіки, анімації та дизайну «Visual Science» . За проект «Парк вірусів» взялися в 2009-му.

Три роки тому ніхто в світі і не думав братися за таку неймовірно складне завдання, як створення молекулярної моделі вірусу. Сучасні методи дозволяють отримувати достовірні моделі невеликих молекул. Але вони незастосовні для великих надмолекулярних комплексів, не кажучи вже про більшу частину вірусів. Однак все сталося так, як говорив Ейнштейн: все знали, що цього зробити не можна, один не знали зробив. Уже в 2010-му зображення моделі ВІЛ, створене в студії Івана Константинова, було визнано найкращою наукової ілюстрацією року, за версією журналу «Science» і Національного наукового фонду США (NSF), і в цьому ж році опубліковано на обкладинці спецвипуску «Nature Medicine» , в галереї журналу «Cell», приуроченої до тридцятої річниці відкриття ВІЛ, і на сторінках ЗМІ, таких, як «Нью-Йорк таймс». Сьогодні воно вже увійшло в багато авторитетні підручники і в провідний світовий довідник «Вакцини», який журнал «Ланцет» називає Біблією вакцінологіі.

Вірус імунодефіциту став першим мешканцем «Парку вірусів» компанії «Visual Science». Хоча починали дослідники з вірусу свинячого грипу. «Тоді, в 2008 році, ми ще не розуміли, як підступитися, та й техніка не дозволяла нам працювати з величезними масивами інформації. Довелося придумувати і створювати спеціальні алгоритми, на що пішов не один рік », - згадує І.Н.Константінов. Як і належить, перший млинець вийшов грудкою. Хоча - з чим порівнювати. Ніхто в світі до сих пір не може зробити і такого. Але на тлі моделей ВІЛ і Ебола, незабаром з'явилися на світ, він дійсно простакуватий і недостатньо деталізований ». Однак ця проба пера озброїла дослідників корисним досвідом і новими інструментами моделювання. Тепер уже можна було братися за ВІЛ.

«Коли ми працювали над моделлю ВІЛ, здавалося, що завдання складніше годі й чекати, - розповідає І.Н.Константінов. - Сотні тисяч молекул, хитромудра структура вірусної частинки. З такою сценою не справляються навіть найпотужніші комп'ютери. Але коли ми взялися за вірус Ебола, який в десять - дванадцять разів більше ВІЛ, нам стало здаватися, що ВІЛ - це дуже просто ».

Ні, це зовсім не просто. Робота над моделлю починається з пошуку і аналізу інформації. Науковий відділ компанії, в який входять біологи, всі кандидати наук, аналізує сотні статей в провідних наукових журналах з результатами досліджень, які проливають світло на структуру тієї чи іншої частини вірусу. З цих кількох сотень відбирають кілька десятків найбільш значущих і авторитетних публікацій, де узагальнені останні дані. На їх основі відділ готує ґрунтовний огляд, який сам по собі - добротна наукова стаття.

Наукову частину проекту «Парк вірусів» курирує кандидат біологічних наук Ю.Ф.Стефанов, що працює в компанії майже з самого її заснування. Його завдання - знайти білі плями і спірні моменти в зібраних даних і постаратися їх прояснити. А прояснити можна тільки в діалозі з провідними дослідниками в цій галузі. Тому компанія визначає ключових експертів, або консультантів, зв'язується з ними, і починається обговорення.

Цікаво, що на заклик до співпраці відгукується більшість потенційних консультантів з провідних лабораторій світу. Чому? Адже всі вони, дослідники з гучними іменами, і без того завантажені роботою. «Я радий цій обставині, - зізнається І.Н.Константінов. - Кожного разу ми посилаємо потенційному експерту дуже чесне і простий лист, розповідаємо про наш ініціативному і некомерційному проекті - створювати гранично точні, науково достовірні, красиві і акуратні моделі вірусів людини. Напевно, наша чесність і ентузіазм передаються через ці листи, і в більшості випадків ми отримуємо відповідь. Крім того, створені нами моделі говорять самі за себе, і нас вже знають у світі ».

Науковий огляд вивчає керівник проекту, теж біолог. У компанії його називають «інтегратором», тому що він розбирається в усіх етапах створення моделі - наукової частини, молекулярному і 3D-моделюванні, дизайні і візуалізації. Після того як багато спірні моменти і вузькі місця з'ясовані з консультантами, інтегратор становить план, за яким починають працювати відділи молекулярного і 3D-моделювання. «Ми вже розуміємо, які білки присутні в кінцевій структурі, які з них мають повні структури, які - ні, які комплекси треба створювати, - розповідає І.Н.Константінов. - Наприклад, поверхневі білки вірусу. У цих молекул є трансмембранні ділянки, рухливі петлі, які погано кристалізуються, тому повних даних про їх структуру немає. При рентгеноструктурном дослідженні ці ділянки відрізають і вивчають основну, нерухому частину: з неї можна отримати регулярний кристал і встановити його структуру. Всі відсутні елементи, включаючи гликозилирование поверхневих білків, ми відтворюємо, використовуючи традиційні методи молекулярного моделювання та динаміки ».

У відділі молекулярного моделювання створюють всі компоненти структури і комплекси, які повинні бути в кінцевій моделі. Наступний етап - 3D-моделювання. Відділ отримує точні 3D-координати кожного атома в усіх молекулах, що входять до складу вірусу. Якщо у атома водню радіус 0,53 ангстрема, то і в моделі він буде точно такий же. Тут фрагменти збирають в єдине ціле і отримують повну модель віріона, яка відправляється у відділ дизайну та візуалізації. «Ми не малюємо, а моделюємо, тобто точно відтворюємо природну структуру за даними досліджень, - пояснює І.Н.Константінов. - Дизайнер не може привнести неточність. Точність опису молекулярної поверхні відома і постійна. Якщо ви бачите білок на поверхні або ліпід в мембрані, то будьте впевнені, що ми точно знаємо його просторову структуру ».

Кінцевий результат моделювання - це так звана 3D-сцена, або кілька гігабайтів файлів. Це сцена з математичним описом всіх елементів вірусу у вигляді полігонів - елементарних одиниць поверхні. Всього лише один липид в поверхневій мембрані вірусу (на малюнку одна тонка сіра риска) містить до 20 тисяч полігонів! Така деталізація, прийнята в компанії, необхідна, щоб показати атомну структуру цієї моделі.

На невеликій ілюстрації ВІЛ ми, зрозуміло, не можемо розглянути кожен атом, ці деталі занадто малі. «У більшість випадків ми не показуємо атомну структуру, щоб не зашумлять зображення, так і для багатьох цілей це просто не потрібно, - пояснює І.Н.Константінов. - Але така модель дозволяє отримати зображення ВІЛ розміром 50 тисяч пікселів на 50 тисяч пікселів, достатнім для друку ілюстрації площею 25 квадратних метрів з якістю обкладинки глянцевого журналу. І ось тоді ми побачимо все, що там є, аж до кожного атома ». Жоден сучасний метод дослідження не дозволяє розглянути віріон, включаючи його внутрішній устрій, з таким ступенем деталізації.

Взагалі, немає межі вдосконаленню моделі будь-якого вірусу. Наші знання неповні, і нові дані про фрагментах вірусів з'являються щороку, тому в готову модель доводиться вносити невеликі зміни.

І.Н.Константінова часто запитують: невже ВІЛ або Ебола такі ж гарні і яскраві, як показано на картинках, і пофарбовані в такі ж кольори? Ні, звичайно, ці віріони навряд чи взагалі пофарбовані, оскільки не містять хроматофорів. Але кольору, які використані в моделях, мають сенс. «Відтінки сірого в усіх моделях" Парку вірусів "ми позначаємо компоненти, які вірус захоплює з клітки господаря, тобто не кодуються його геномом, - пояснює І.Н.Константінов. - На моделі ВІЛ видно, що це - ліпіди поверхневої мембрани, деякі білки усередині вірусу, деякі - на його поверхні, такі, як HLA-DR1, ICAM-1 або CD55. Компоненти, які кодуються геномом вірусу, пофарбовані відтінками кольору, прийнятого для цього вірусу. Для ВІЛ - відтінки оранжевого, для Ебола - рожевого. У кожного вірусу власна колірна гамма ».

Моделі цих смертоносних вірусів разюче красиві. Видно, що дизайнери компанії не шкодують часу на роботу з кольором, а при необхідності консультуються з художниками і скульпторами (в минулому хіміками і біологами), дизайнерами, тобто з людьми, що володіють тонким художнім смаком. І роблять це цілком свідомо. Сьогодні наукової та освітньої графіку дуже важко конкурувати з яскравою рекламою, блокбастерами і комп'ютерними іграми, які створюють кращі фахівці в області візуальних ефектів. Молодим людям складно зробити вибір на користь чогось непоказного, хоча і цікавого, коли з усіх боків йому пропонують яскраве. Компанії «Visual Science» вдається поєднувати грамотне, достовірне зміст з сучасними засобами подачі. Ось чому ці моделі буквально заворожують, їх хочеться розглядати.

«Якщо на якомусь початковому етапі молодим людям, школярам і студентам, показати, як наука цікава і красива, то можна запалити в них внутрішній вогонь, пробудити інтерес до предмету, - розповідає І.Н.Константінов. - На основі таких моделей ми можемо робити не тільки наукові ілюстрації для статей і підручників або плакати з високою роздільною здатністю. Ми створюємо анімаційні ролики, інтерактивні освітні веб-плагіни, додатки для мобільних платформ iOS і Android. Тут величезний простір для фантазії. На мій погляд, освітній та просвітницьке значення таких моделей надзвичайно велике ».

Важко з цим не погодитися. Хоча є викладачі, які вважають, що до ілюстрацій потрібно ставитися акуратно і краще особливо на них не покладатися. Швидше за все, причина такого обережного ставлення - це досвід роботи з ілюстраціями, створеними дизайнерами, які не мають профільної освіти. Біохімія та молекулярна біологія - це дуже складні області. Неспеціалістам важко в них розібратися, тому вони не можуть грамотно, достовірно і зрозуміло зобразити, а значить - пояснити те чи інше явище або об'єкт ».

Зустрічається й інша точка зору. Вчений повинен вміти проникати внутрішнім поглядом в суть речей, залучаючи на допомогу всю свою уяву. А моделі, пропоновані на стадії навчання, можуть його обмежити, запам'ятатися як непогрішний образ. «Думка висловлена ​​є брехня». Але саме граничні умови, які виникають при створенні моделей, як не дивно, надають неоціненну послугу науці.

Уявіть, що ви зібрали величезний пазл, в якому не вистачає кількох деталей. Замість них у зібраній зображенні зяють порожнечі. Але за формою цього порожнього місця ви точно можете сказати, якою має бути конфігурація відсутнього фрагмента. Щось схоже відбувається і при моделюванні вірусної частинки. Команда І.Н.Константінова часто стикається з неповними даними та білими плямами. З приводу структури того чи іншого білої плями є кілька суперечливих гіпотез, обговорюваних в науковому співтоваристві. Яка з них найбільш близька до істини? «Часто обговорення з зовнішніми експертами не дає відповіді на це питання, вони не можуть вибрати кращий варіант, посилаючись на брак даних, - розповідає І.Н.Константінов. - Але ми не можемо не показати ці ділянки в нашій моделі. І тут на допомогу приходить сам процес моделювання. Коли з високою точністю змодельовані всі відомі фрагменти вірусу, виникають деякі стримуючі, що обмежують умови, які допомагають у виборі більш імовірною гіпотези для структури невідомих ділянок ».

Багата уява і образне мислення необхідні досліднику. Для багатьох не складає труднощів побачити плоску картинку в обсязі або за описом уявити будь-який об'єкт. Однак щоб подумки відтворити образ вірусу з усіма його деталями, потрібно провернути в голові величезний масив інформації, який важко зібрати воєдино. І не завжди дослідники і студенти здатні виконати таку роботу подумки.

Ні, від таких моделей, безумовно, є користь. Гарна ілюстрація допомагає структурувати знання, сприймати складну просторову інформацію.

А скільки радості можуть доставити ці моделі звичайним людям, чиї професії далекі від науки! Адже вони показують, як дивно красиво і складно влаштований наш світ навіть у найдрібніших його деталях. Показують, який шлях довелося пройти науці, щоб зрозуміти, як влаштована вірусна частка, її оболонка, які молекули знаходяться всередині і на її поверхні, яка внутрішня структура.

П'ять років тому наш світ поповнився симпатичною і корисною деталлю - студією «Visual Science», яка створює гранично точні і науково обґрунтовані моделі інших найважливіших деталей світу - молекул, вірусів, анатомічних структур, хімічних процесів, технологій, все, що нерозривно пов'язано з сучасною наукою і технологіями. Сьогодні у компанії відмінна репутація, діяльність її розростається, роботи дуже багато. Але у співробітників як і раніше в очах світиться азарт, тому що кожен день вони займаються тим, про що мріяли. Один з найулюбленіших і красивих проектів «Парк вірусів» ще не завершений. Поки в ньому трохи мешканців. Але в найближчі два роки тут пропишуться не менше десятка найважливіших і поширених вірусів людини. Будуть створені їх моделі з безпрецедентним рівнем деталізації і точності. Він займуть гідне місце в наукових журналах, підручниках і довідниках і обов'язково надихнуть молодих людей на заняття наукою, на кар'єру дослідника. Від популяризації науки настільки високого рівня суспільство тільки виграє.

Вірус імунодефіциту людини

Перед вами - найточніша і деталізована 3D-модель ВІЛ з коли-небудь створених. Вона виконана в студії «Visual Science». Модель створена на основі результатів більше сотні наукових публікацій провідних фахівців в області вірусології, рентгеноструктурного аналізу і ЯМР-спектроскопії.

За тридцять років, що минули з часу відкриття ВІЛ, його досить добре вивчили. ВІЛ заражає переважно клітини імунної системи людини і виводить їх з ладу. В результаті в організмі розвивається синдром набутого імунодефіциту (СНІД). Найбільш поширена різновид вірусу HIV-1 з розмірами від 100 до 180 нм. Вона оточена мембраною, в якій заякорити поверхневі білкові комплекси. Частина цих комплексів кодується геномом самого вірусу, а частина, як і сама мембрана, захоплюється з клітки господаря. Мембранні білки дозволяють вірусної частинки взаємодіяти з рецепторами на поверхні клітин-мішеней. Після розпізнавання частка і клітина зливаються, а вміст віріона потрапляє всередину цитоплазми.

Серце віріона - білковий капсид конічної форми (добре видно в самому центрі зображення). У ньому знаходиться РНК - геном вірусу і ферменти, що забезпечують його розмноження в клітці. Геном вірусу імунодефіциту людини представлений двома ідентичними молекулами РНК, довжина кожної з них трохи менше 10 тисяч нуклеотидів. Всього геном включає 9 генів. Вони кодують 15 різних білків.

Усередині частки ВІЛ, як і на поверхні його мембрани, перебувають не тільки білки, які кодуються геномом самого вірусу, а й білки, захоплені з клітини-хазяїна.

Після того як ВІЛ проник в клітку, зворотна транскриптаза вірусу синтезує ДНК-копію його генома. Ця копія вбудовується в клітинний геном, утворюючи провірус. Потім клітинні ферменти синтезують на матриці провируса нові молекули вірусної РНК, а також регуляторні та структурні білки вірусу. Утворилися вірусні білки стають матеріалом для самозборки і брунькування нових вірусних частинок. Вони залишають породила їх клітку в пошуках нового господаря.

У моделі з дивовижною точністю відтворені просторові структури 17 вірусних і клітинних білків, трансмембранні домени і статуси гликозилирования білків оболонки. Для моделювання мембрани вірусної частинки автори використовували понад 160 тисяч молекул ліпідів восьми видів в співвідношеннях, характерних для реальної частки ВІЛ. Модель зібрана з понад 10 мільярдів полігонів - одиниць поверхні вірусної частки.

Відтінками сірого в моделі показані структури, захоплені вірусом з клітки господаря, відтінками помаранчевого - білки, які кодуються вірусним геномом.

Восьмого вересня 2010 року модель ВІЛ була поміщена на обкладинку спеціального випуску журналу «Nature Medicine», підготовленого Світовим центром з розробки вакцин від ВІЛ. Зображення ВІЛ визнано найкращою наукової ілюстрацією в світі за 2010 рік за версією журналу «Science» і Національного наукового фонду США.

ліпосоми

Цю модель ліпосоми студія «Visual Science» створила на замовлення корпорації «Роснано», яка планує в 2013-2014 році почати виробництво протиракових препаратів на основі ліпосом, іммуноліпосом і моноклональних антитіл на заводі «Медсінтез» в Новоуральске. Ліки з новою форою доставки розробили в Російському онкологічному науковому центрі ім. Н.Н.Блохина РАМН.

Ліпосоми (що по-грецьки означає «жирне тіло») вперше спостерігав відомий британський гематолог Алек Бенгем в 1961 р (правда, результати були опубліковані лише в 1964-му). Як часто буває, сталося це випадково, коли Бенгем з колегами тестував новий електронний мікроскоп, куплений його інститутом. Дослідники використовували класичну методику тестування, додаючи контрастні речовини в різні препарати. При додаванні контрасту до фосфоліпідів вчені побачили освіту подвійного ліпідного шару і ліпосом. Через десять років, в 1971 році, професор Грегорі Георгіадіс разом з Брендой Ріман вперше використовували ліпосом як засіб доставки ліків і вакцини.

Ліпосомальні препарати представляють собою бульбашки розміром близько 100 нанометрів. Їх отримують, обробляючи ультразвуком фосфоліпіди у водному середовищі. Їх зовнішня оболонка складається з одного або декількох шарів фосфоліпідів і подібна до природної мембраною клітин, а всередині містяться лікарська речовина (хіміотерапевтичні препарати доксорубіцину, лізомустіна, ціфеліна, аранози, бактеріохлоріна) і вода. Втім, ліпосоми можна навантажувати різними лікарськими речовинами, і не обов'язково розчинними у воді. Гідрофобне речовина може бути укладено в ліпідної оболонці ліпосоми.

Ліпосоми пасивно доставляють ліки за адресою. Вони виходять з кров'яного русла в тканини там, де проникність судин підвищена, тобто в зростаючих злоякісних пухлинах. Іммуноліпосоми поєднують пасивну адресну доставку з активною. На їх поверхні закріплені антитіла, здатні розпізнавати специфічні для пухлини молекулярні мітки (пухлина-асоційовані антигени).

Чи треба говорити про перевагу ліків в липосомальной формі? Вони приносять токсична речовина в клітини пухлини, тим самим знижуючи токсичне навантаження на нормальні органи і тканини. Оскільки доставка препарату відбувається точно за адресою і його біодоступність висока, то дози отруйної ліки можуть бути знижені. А крім того, вони протягують в хворі клітини лікарські речовини, які без ліпосом в них потрапити не можуть.

вірус Ебола

Найбільш точна і детальна тривимірна модель вірусу Ебола (праворуч) також створена в студії «Visual Science». В її основу лягли дані про морфологію вірусу, опубліковані за останні 20 років в провідних наукових журналах. Для відтворення структур білків і білкових комплексів автори використовували опубліковані результату рентгеноструктурного аналізу, Кріоелектронний мікроскопії, а також результати молекулярного моделювання.

Ебола - один з найбільш великих вірусів людини, його довжина близько 1400 нм, ширина - 80 нм. Вірус Ебола, як і вірус Марбурга (представники сімейства філовірусів) збуджують у людини гостру геморагічну лихоманку. Це захворювання призводить до смерті в 50-90% випадків в залежності від штаму вірусу. Ебола вражає переважно клітини ендотелію судин, а також деякі клітини імунної системи і печінки. Симптоми захворювання - жар, головний біль, кровотеча слизових, біль в м'язах, кашель, зневоднення. Вірус виявили в 1976 році. З тих пір зафіксовано кілька досить великих епідемій в Заїрі, Судані, Конго та Уганді. Кількість інфікованих та померлих обчислювалася сотнями. Відомі кілька випадків заражень з летальними наслідками, що сталися під час лабораторних досліджень вірусу.

Ебола, як і багато інших вірусів людини, має мембранну оболонку, яка формується з мембрани зараженої клітини. При брунькування частка захоплює також частина мембранних білків клітини (наприклад, компоненти головного комплексу гістосумісності або поверхневі рецептори), які залишаються в вірусної оболонці і можуть впливати на інфекційні здібності частки.

Під мембраною вірусу розташований головним чином білковий матрикс, що має, найімовірніше, спіральну структуру. У самому центрі віріона знаходиться нуклеокапсид. Це також спіральна структура утворена в основному великим білком NP. Діаметр спіралі близько 50 нм, при цьому всередині помітний канал діаметром близько 20 нм. Геном Ебола представлений одноцепочечной РНК, він містить 7 генів і має довжину трохи менше 19 тисяч нуклеотидів.

Всередині віріона Ебола знаходяться РНК-залежна РНК полімераза і мінорні білки. Полімераза відповідає за синтез РНК вірусу. Це найбільший білок, який кодується вірусним геномом. А мінорні білки працюють транскрипційними факторами і антагоністами интерферонового відповіді.

В простір усередині віріона в результаті брунькування потрапляють ще й клітинні білки, серед яких представлені в основному компоненти цитоскелету. Кількість цитоплазми, захоплює вірусом, може змінюватися.

Модель вірусу Ебола містить точні структури 11 різних білків, 18900 нуклеотидів геномної РНК і більше 2,5 мільйонів різних молекул ліпідів. Відтінками сірого в моделі показані білки, захоплені вірусом з клітки господаря, відтінками рожевого і фіолетового - білки, які кодуються вірусним геномом.

У 2012 році модель вірусу Ебола стала призером міжнародного конкурсу наукової графіки, який проводить журнал «Science» і Національний науковий фонд США.