6722-1 (616200), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Используя ультраяркие источники рентгеновского излучения, ученым удалось получить большие серии снимков и зафиксировать кадр за кадром развитие многих биохимических реакций. Этот метод исследований основывался на эффекте неодинакового поглощения рентгеновских лучей химическими элементами с различным атомным весом, на технической возможности создания ультраярких и сверхкоротких рентгеновских импульсов, на использовании сверхмощных компьютеров для расчетов. Для уточнения полученных данных параллельно применялся и традиционный метод, основанный на анализе информации о рассеянии рентгеновских лучей на белковой молекуле. В этом случае на суперкомпьютерах обрабатывалась информация об интенсивности рассеяния, углах рассеяния и о сдвиге фаз рассеянных лучей.
В это же время началось интенсивное использование в биохимии и генетике технологий, основанных на процессах рассеяния нейтронов на протонах. Эти технологии будто специально были созданы для исследования биологических объектов, имеющих в своем составе множество атомов водорода. Технологии нейтронного рассеяния базировалась на физическом эффекте хорошего рассеяния нейтронов на протонах. То, что биологические объекты (структурные части клеток, белковые молекулы, ДНК и другие) были «перенасыщены» водородом, позволяло при воздействии на них пучка нейтронов получать четкие картины распределения атомов водорода в пространстве. Приняв за точку отсчета эти своеобразные маркеры, можно было, в первом приближении, строить модель исследуемой молекулы, либо структурной части клетки. Последующее уточнение строения исследуемого объекта проводилось при помощи ультраярких источников рентгеновского излучения, а также расчетными методами. Технология рассеяния нейтронов на протонах позволила изучать строение белковых молекул с большим молекулярным весом, и даже некоторых внутриклеточных структур.
Не были оставлены в стороне и традиционные методы изучения структуры и строения белковых молекул, такие как криоэлектронная микроскопия, кристаллография с атомным разрешением, ядерный магнитный резонанс и другие.
Применение учеными совокупности известных методов изучения органических соединений при исследованиях структуры и свойств белковых молекул и механизмов реализации биохимических реакций, перевели задачи, поставленные в программе «Белок человека», в разряд успешно решаемых. Накопление полного объема информации по данной проблеме было только вопросом времени. Стартовавшая в прошлом десятилетии глобальная исследовательская программа «Белок человека», участие в которой приняли сотни научных государственных и частных компаний, привела к впечатляющим практическим результатам.
За время реализации этой программы была определена полипептидная структура более пятисот тысяч различных белков человека. Совершенное программное обеспечение для компьютерного моделирования способствовало построению достоверных моделей трехмерной структуры белковых молекул, исходя из их двухмерной полипептидной последовательности. Ситуация чем-то напоминала ситуацию уже имевшую место на рубеже веков, когда при первой расшифровке генома человека накопились гигантские объемы информации, требующие систематизации, сведения в единую общую модель. И если для систематизации расшифрованных последовательностей нуклеотидов человеческого организма и построения единой модели человеческого генома потребовалось более десяти лет, то систематизация знаний о строении сотен тысяч белков человеческого организма требовала большего времени. Сложность программы «Белок человека» была почти на три порядка выше, чем программы расшифровки человеческого генома, выполнение которой еще совсем недавно казалась пределом возможного.
Многочисленные достижения в различных областях науки и техники помогли определить к концу десятилетия полипептидную и пространственную структуру около полумиллиона белков, синтезируемых в организме человека. Однако до получения завершенной картины функционирования белков в человеческом организме было еще далеко. Причиной этого являлись трудности количественного порядка. В геноме человека насчитывалось порядка ста тысяч генов, из которых при синтезе белков использовалось не более половины. В то же время, в клетках человеческого организма для обеспечения нормального функционирования синтезировалось постоянно около миллиона различных белков. Было совершенно очевидным, что за синтез определенного белка отвечает не один ген, а целая группа, которая может состоять из различного количества генов. Таким образом, насущной задачей становилось составление полных маршрутных карт «группа генов – белок – биохимическая реакция», для чего требовалось определить сочетания генов, отвечающие за синтез белковых молекул, общее количество которых приближалось к миллиону.
В то же время миллион различных белков человеческого организма, каждый из которых способен вступать в химические реакции с органическими и неорганическими соединениями, которые во множестве находились в живой клетке, предопределял астрономические количества потенциально возможных химических реакций. Многие из них действительно осуществлялись в функционирующих клетках. Достоверно определить именно те биохимические реакции, которые являлись функциональными для каждой белковой молекулы, и отсечь десятки тысяч других возможных вариантов, которые не являлись важными для человеческого организма, было сверхсложной задачей. Эту задачу необходимо было решать незамедлительно, поскольку без этих базовых знаний невозможно было определить истинную картину функционирования человеческого организма на всех уровнях и, следовательно, двигаться вперед по пути прогресса. Главную роль в сложном и многоаспектном процессе функционирования живого человеческого организма играл, несомненно, белок, как класс химических соединений. Только владение полной информацией о первичной и пространственной структуре всех белков, входящих в состав организма человека, об их свойствах, функциональном назначении, взаимосвязях между собой и о взаимодействии с другими химическими соединениями, могло дать целостную картину устройства человека, как вместилища астрономического числа согласованных химических реакций.
Полное знание о белках человеческого организма являлось тем фактором, который определял темпы движения земной цивилизации вперед и сроки будущих, кажущихся сегодня фантастическими, достижений. И хотя астрономические цифры, характеризующие масштаб необходимых вычислений, были явно не на стороне ученых, человечество, собрав в кулак всю мощь накопленных знаний и умений принялось за разрешение очередного узла проблем. Познание тайны белка человеческого организма было многоаспектной проблемой и требовало параллельного решения еще нескольких трудоемких задач. Одна из них – задача сопоставления групп генов и кодируемых ими белков успешно решалась, и ее выполнение ожидалось в скором будущем. Другая задача, которая заключалась в сопоставлении конкретных белков с конкретными биохимическими реакциями, и должна была дать ответ на вопрос о функциях известных белковых молекул, требовала для своего решения дополнительных усилий и затрат времени.
Изучение функций белка в организме человека не могло оставить в стороне проблему пространственного сворачивания белковых молекул. Суть этой проблемы заключалась в различиях пространственной структуры белковой молекулы на стадии ее синтеза и во время осуществления основной функции в организме человека. Синтез молекулы белка осуществляется путем создания полипептидной последовательности или линейной белковой структуры. Для реализации своей функции белковая молекула сворачивается в пространстве индивидуальным образом. Процесс сворачивания может быть осуществлен многократно, и каждый раз сворачивание белковой молекулы происходит одинаковым образом. При сворачивании белок активизируется, его центральная часть образует индивидуальный трехмерный узор, так называемый активный комплекс, который является индивидуальным катализатором, ингибитором или просто нейтральным участником определенной биохимический реакции. Двадцать аминокислот, из которых состоят все известные нам природные белки, в своих разнообразных комбинациях образуют миллионы различных белковых молекул со своими специфическими свойствами и функциями. Как же нелегко изучить и однозначно понять все это многообразие, порожденное Природой.
Для облегчения задачи определения пространственной структуры белка и уменьшения числа необходимых вычислений были разработаны и успешно применялись несколько изящных методов и подходов.
Определение пространственной структуры белка по его аминокислотной последовательности (линейной структуре) успешно осуществлялось на основе анализа имеющейся информации о пространственной структуре белков, обладающих первичной структурой, схожей со структурой исследуемого белка. За основу брались хорошо изученные белки. Их известная пространственная структура, использовалась в качестве первого приближения к структуре исследуемого белка, а затем уточнялась другими методами.
Хорошее качество предсказания пространственной структуры белковых молекул давал метод математического моделирования. Этот метод основывался на анализе всех вариантов взаимодействия отдельных атомов между собой в процессе сворачивания известной первичной структуры белка в определенных условиях. За основу брался постулат, что искомая пространственная структура должна обладать минимумом свободной энергии. Данный метод требовал применения суперкомпьютеров мощностью в одну тысячу Терафлоп и более. На практике использовались математические модели с заданным приближением к истинной пространственной структуре белковой молекулы.
Оригинальным методом, упрощающим задачу сопоставления функциональных звеньев «белок – биохимическая реакция», был метод моделирования взаимодействия двух и более свернутых белковых молекул, на основе взаимодействия их выделенных активных комплексов. Данный метод применялся в компьютерном моделировании при изучении взаимодействия белковых молекул между собой, а также с различными химическими соединениями. Выделение в каждой белковой молекуле активного комплекса, принимающего участие в химических реакциях, позволяло при математическом моделировании учитывать около десяти процентов от всего количества атомов данной белковой молекулы, что в тысячи раз уменьшало объем необходимых вычислений и сокращало время использования суперкомпьютеров.
Во многих случаях сама природа помогала ученым, подсказывая более простые пути решения поставленных задач. Зачастую для сопоставления групп генов и кодируемых ими белковых молекул, а также сопоставления белков и биохимических реакций, не требовалось проводить сложные исследования и расчеты с использованием генетического и цитологического материала человека. Требовалось просто обратиться к знаниям, полученным при расшифровке геномов и изучении белков микроорганизмов, грибов, дрожжей и растений. Учитывая то, что все формы жизни на нашей планете используют единый генетический и аминокислотный код, и тот факт, что при всем многообразии своих творений Природа лучшие эволюционные находки тиражирует во многих видах организмов, многие интересующие ученых ответы можно было получить при изучении простейших организмов.
Как правило, геном простейших организмов содержал меньшее количество генов, чем геном человека. Количество синтезируемых белков и биохимических реакций, присущих этим организмам также было меньше, чем в организме человека, что значительно облегчало научные исследования. Многообразие живых существ на Земле и впечатляющая приспособляемость их к различным условиям обитания давали хорошие шансы на обнаружение большинства специализированных белков и ключевых биохимических реакций в более простых формах земной жизни. Примером этого может служить тот известный факт, что ферменты человеческого организма, выполняющие достаточно специализированные функции, могут быть обнаружены во многих микроорганизмах, где изучать их свойства гораздо проще, чем в человеческом организме. Конечно, полное соответствие случалось далеко не всегда, поэтому результаты исследований применялись к белкам человеческого организма с учетом специфики более сложного метаболизма, свойственного человеку.
Всестороннее изучение причинно-следственных связей типа «белок – биохимическая реакция» привело, помимо всего прочего, к углубленному исследованию самих биохимических реакций, а также их последовательностей, этих важнейших составляющих процессов жизнеобеспечения в живой клетке. Непрекращающийся процесс реализации индивидуальной совокупности биохимических реакций является целью и главной функцией любой живой клетки. Теоретически, зная назначение любой специализированной клетки, обратным счетом можно определить и цепочку биохимических реакций, составляющих клеточную функцию. Конечно, это невозможно сделать с нуля, не имея серьезной теоретической базы. Но к рассматриваемому периоду времени человечество уже владело необходимыми знаниями о строении живой клетки, механизмах её функционирования, о структуре, составе и свойствах клеточных составляющих. Как кусочки мозаики, все новые и новые знания, нарабатываемые различными научными дисциплинами, заполняли белые пятна на общей карте строения и функционирования клетки.
К этому времени уже существовало несколько компьютерных моделей живой клетки, которые были разработаны как в рамках государственных программ, так и благодаря частной инициативе. Некоторые из них были размещены на серверах для свободного пользования, к другим имели доступ только разработчики. Компьютерные модели клеток человеческого организма разрабатывались под разные потребности, зачастую по специфическим заказам и характеризовали несколько десятков специализированных клеток, что являлось значительным шагом естественных наук вперед. Все компьютерные модели были неполными, однако, их детализация и достоверность были достаточными для решения многих задач фармакологии, биохимии, генетики. Для многих задач, встающих перед учеными, совсем не обязательно было моделировать все элементы клетки или моделировать их с высокой степенью детализации. Лучшие из существующих моделей имели степень детализации для отдельных клеточных составляющих на уровне атомов, для большинства белковых молекул на уровне активных комплексов, а значительная часть второстепенных составляющих описывалась как набор параметров. Помимо этого многие компоненты клетки были совсем не исследованы, либо еще вовсе не известны. Несмотря на отсутствие полных знаний, наука подошла вплотную к созданию компьютерной модели неспециализированной клетки человека, как закономерному развитию имеющихся наработок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
