Морковин Е.И.. Биофизика и биоинформатика

Проект «Будущие лидеры технологий XXII века»

_________________________________________ 

БИОФИЗИКА И БИОИНФОРМАТИКА*

Морковин Евгений Игоревич,
доцент, к.м.н., доцент кафедры
фундаментальной медицины и биологии ВолгГМУ,
зав.лаб. нейропсихотропных средств НЦИЛС ВолгГМУ 

* Лекция разработана в рамках проекта «Будущие лидеры технологий ХХII века», который реализуется при поддержке Фонда президентских грантов на территории Волгоградской области. Для учащихся 9-11 классов объявлен творческий конкурс письменных работ на тему «Новые технологии и жизнь». Всю информацию о мероприятиях проекта можно найти на сайте Волгоградского центра международного гуманитарного сотрудничества по адресу www.ihc-vog.ru.

Биофизика – междисциплинарная наука, которую считают разделом биологии, изучающим физические аспекты живой природы на всех уровнях: от молекулярного до биосферного. Биофизика объединяет в себе и базовые дисциплины (биологию, химию, физику и математику), и более специфические (физическую химию, физиологию, биохимию), и появившиеся сравнительно недавно (молекулярную биологию, биоинформатику, вычислительную биологию).

Многие науки используют достижения биофизики, поэтому бывает чрезвычайно сложно сказать, где заканчивается биофизика и начинается, например, молекулярная биология. Более того, границы между разделами биофизики также можно считать условными, поэтому попробуем разобраться с их ролями с помощью примеров.

Молекулярная биофизика изучает физические принципы организации биологических молекул. Возможно, вы слышали, что жизнь – способ существования белковых тел, но это не совсем верно. Если дойти до молекулярного уровня, то окажется, что для жизни необходимы липиды – нерастворимые в воде молекулы, способные собираться в жировые капли.

Именно благодаря липидам на ранних этапах химической эволюции стало возможным разграничить пространство на внешнее, в котором в довольно низких концентрациях содержались разнообразные (в том числе и органические) молекулы, и внутреннее – в котором случайно прошедшие сквозь липидный слой молекулы сталкивались друг с другом, вступая в химические реакции. Таким образом, внутри подобных капель впервые стали появляться миниатюрные биологические реакторы.

И эти реакторы накапливали не только вещество, но и электрические заряды: в водной среде носителями заряда выступают не электроны, как в металлах, а ионы растворенных веществ (например, ионы натрия или калия). Ионы металлов хорошо растворяются в воде и могут перемещаться в ней так же, как электроны в металле, поэтому водные слои по обе стороны от липидного слоя выполняют роль проводников, а липидный слой – роль диэлектрика. Из-за подобного устройства любая биологическая мембрана становится электрическим конденсатором. И движение зарядов лежит в основе координации множества процессов в многоклеточных организмах – а этим уже занимается другой раздел биофизики, биофизика коммуникаций и сенсорных систем.

Электричество позволяет нам реагировать на раздражители и обучаться. И здесь биофизика тесно переплетается как с физиологией, в т.ч. с учением о рефлексах И. П. Павлова, так и с целым комплексом вышедших из физиологии нейронаук. Выработка любого нового для нас навыка – это результат выстраивания сети из нейронов новым для них способом – более быстрым и/или менее энергозатратным. Нейробиологи, изучающие особенности подобных перестроек в головном мозге, постоянно сталкиваются с биофизикой – хотя бы потому, что, измеряя изменения амплитуды и частоты мозговых волн, можно буквально в реальном времени наблюдать, как серия импульсов становится навыком.

Но способность накапливать заряд для биологических мембран скорее приятное дополнение, чем основная задача – по крайней мере, с точки зрения биофизики метаболизма или биофизики клетки и клеточных процессов. Представьте, что нам срочно нужно поймать льва в пустыне. Как поступить, если мы не знаем наверняка, где он находится? Можно поделить пустыню пополам, а затем продолжать делить ту половину пустыни до тех пор, пока мы не окажемся на крошечном пяточке земли, где не заметить льва будет невозможно. И это приводит к невообразимому: лев в пустыне всего один, но уже после 8 делений пустыни мы получим область, в которой концентрация львов возрастет до 256 львов на 1 пустыню. В живых организмах такое разделение на отсеки (в первую очередь – при помощи липидных мембран) называется компартментализацией. Благодаря компартментализации концентрации реагирующих веществ могут повышаться не просто в разы, а на сотни и даже тысячи порядков – а чем выше концентрации реагирующих веществ, тем выше вероятность успешного завершения любой химической реакции.

Компартментализацию можно назвать фундаментальным свойством живой природы, которое проявляется и на клеточном, и на организменном, и на популяционном, и даже на планетарном уровне. Поэтому описанием взаимодействий между несколькими компартментами при помощи математических моделей так или иначе занимаются все биофизики. Эти модели применимы, например, к поведению лекарственного средства в организме человека, к взаимоотношениям между численностью хищников¹ и травоядных животных², к прогнозам заболеваемости во время эпидемии³, и даже к взаимосвязи между спросом и предложением в экономике⁴.

Но бывают и более сложные системы. Например, схема метаболических путей в организме человека соединяет вообще все органы и ткани, какие только можно представить⁵. Даже такие сложные системы можно (и нужно) моделировать. В частности, это может быть необходимо для создания новых лекарственных средств. Можно, конечно, ограничиваться использованием разнообразных подопытных животных, но постепенно от чрезмерного их использования отказываются – как по этическим причинам, так и из-за улучшения альтернативных моделей, которые также появляются благодаря биофизике. Например, уже сейчас можно смоделировать всю цепочку биохимических реакций на «биологических чипах» – контейнерах с клетками, которые соединяются между собой в единую систему, воспроизводящую ключевые особенности жизнедеятельности человека⁶. Так что в наше время «человек из пробирки» выглядит немного непохожим на гомункулов из алхимических трактатов.

Но самые главные события науки прошлого (и нынешнего) века произошли благодаря тесному взаимодействию между учеными разных специальностей. Розалинд Франклин, биофизик и рентгенограф, занималась изучением строения ДНК, и полученная ей рентгенограмма («фото 51») помогла биологу Джеймсу Уотсону⁷ и физику Фрэнсису Крику стать отцами молекулярной биологии – науки о закономерностях хранения, передачи и реализации генетической информации в живых организмах. Благодаря последовавшим открытиям человечество узнало, что все, что у нас есть – это информация о белках и РНК, закодированная в ДНК, и что разница между генотипом (набором генов) и фенотипом (набором признаков) обусловлена лишь тем, как именно происходит образование отдельных белков.

Чтобы расшифровать генетический код необходимо установить, в каком порядке нуклеотиды следуют друг за другом – этот процесс называется секвенированием (sequence – последовательность)⁸. Но размеры ДНК настолько огромны, что полную последовательность гена, кодирующего определенный белок, вручную переписать бывает крайне сложно. Более того, далеко не вся последовательность станет белком, и даже ошибка в одну-две буквы может кардинально поменять свойства конечного белка. Именно поэтому стало необходимым рождение новой науки – биоинформатики.

Благодаря объединению усилий молекулярных биологов и биоинформатиков появились принципиально новые технологии. Например, человеческий инсулин описывают как белок, состоящий из двух субъединиц – синтезировать такую молекулу в химической лаборатории практически невозможно, поэтому для лечения сахарного диабета длительное время применяли инсулин, выделенный из поджелудочных желез телят. Но с появлением технологии рекомбинантной ДНК⁹ у человечества появились новые возможности: оказалось, что необходимый сиквенс можно встроить в ДНК бактерий, заставив их вырабатывать нужный продукт.

У секвенирования есть и масса других возможностей: зная сиквенс, можно существенно ускорить диагностику заболеваний, устанавливать родственные взаимосвязи между любыми организмами (от вирусов до людей), предсказывать, насколько эффективным будет лечение определенных болезней, и даже оценивать, как влияет промышленность на современную микроэволюцию. Известный сиквенс позволяет создавать препараты для лечения орфанных (т.е. чрезвычайно редких заболеваний): если установить, дефект какого белка приводит к развитию заболевания, этот белок можно скопировать так же, как это происходило с инсулином. Или, наоборот, обезвредить при помощи других белков – моноклональных антител. Благодаря секвенированию существенно расширились возможности поиска и других типов лекарств. Например, если нам удалось секвенировать определенный рецептор, можно построить его компьютерную модель, и уже на этой модели подбирать оптимальную конфигурацию атомов, которые смогут связаться с активным центром для того, чтобы вызвать необходимый ответ.

Но есть и тёмные стороны секвенирования. Если мы знаем сиквенс белка, который, например, может дать человеку бессмертие – должны ли мы подарить его всему миру? Или можно продать его тому, кто готов заплатить наибольшую сумму? Можем ли мы модифицировать гены (так же, как у бактерий) у взрослого человека, больного неизлечимым заболеванием, чтобы дать ему шанс выжить? Можем ли мы редактировать гены еще нерожденных детей для того, чтобы они не смогли заболеть чем-то неизлечимым в будущем¹⁰? Можем ли мы использовать сиквенс для того, чтобы подбирать наиболее эмоционально стабильных и производительных сотрудников? Можно ли публиковать сиквенс конкретного человека целиком или считать это персональными данными, которые разглашать нельзя? Подобные этические вопросы все чаще звучат в мире, и задают их не только люди, выступающие против вакцинаций или ГМО, но и молекулярные биологи, и биоинформатики, и биофизики. Однако стоит помнить, что биофизика и биоинформатика, несмотря на их сложность, не науки будущего – это науки, ведущие в будущее.

Биофизику и связанные с ней науки преподают во многих вузах страны, как правило на биологических или медико-биологических факультетах (которые также называют факультетами фундаментальной медицины). Например, на медико-биологическом факультете ВолгГМУ есть сразу 3 таких специальности: медицинская биохимия (специалитет), биология (бакалавриат), биотехнические системы и технологии (бакалавриат), для поступления на которые нужно сдать ЕГЭ по биологии и русскому языку, а также математику (для бакалавриата) или химию (для специалитета). Но есть нюанс: современные биомедицинские науки развиваются крайне быстро, и чтобы быть в курсе наиболее важных открытий необходимо уверенно владеть английским языком – к сожалению, этому необходимо учиться самостоятельно. 

Полезные ссылки:

1 https://www.youtube.com/watch?v=eYdfe1PXaRA&t=344s&ab_channel=Хамибин – пример компьютерной симуляции «хищник-жертва». На канале есть и другие видео с компьютерным моделированием в биологии, экологии, психологии и экономике.

 2 https://www.youtube.com/watch?v=PyR0EQlnCSY&ab_channel=Хамибин – пример компьютерной симуляции естественного отбора. На канале есть и другие видео с компьютерным моделированием в биологии, экологии, психологии и экономике.

 3 https://mysite.science.uottawa.ca/rsmith43/zombies.pdf – статья, полностью посвященная математическому моделированию эпидемии «зомби-вируса».

 4 https://www.youtube.com/watch?v=CXEAL8PrRO0&ab_channel=Хамибин – пример компьютерной симуляции спроса и предложения в экономике. На канале есть и другие видео с компьютерным моделированием в биологии, экологии, психологии и экономике.

 5 http://biochemical-pathways.com/#/map/1 – карта метаболических путей.

 6 https://www.technologynetworks.com/drug-discovery/videos/modular-human-biochip-based-organoid-models-in-biomedical-research-278082 – статья и видео о моделировании человеческого организма in vitro с помощью биочипов.

 7 ДНК. История генетической революции. Уотсон Д., Берри Э., Дэвис К. – научно-популярная книга о ключевых этапах развития молекулярной биологии.

 8 https://www.youtube.com/watch?v=wdS3j0TgbjM&t=2s&ab_channel=BiologywithAnimations – видео, разъясняющее процесс секвенирования. На канале есть и другие видео с визуализацией биофизических методов, используемых в молекулярной биологии.

 9 https://www.youtube.com/watch?v=5ffl-0OYVQU&ab_channel=KhanAcademy – видео, объясняющее процесс клонирования и использования рекомбинантной ДНК. На канале есть и другие видео на несложном английском по совершенно разным областям научного знания.

10 https://en.wikipedia.org/wiki/He_Jiankui_affair – описание скандала, возникшего из-за публикации 2018 года о генетически-модифицированных детях, родившихся в Китае. Для ознакомления также рекомендуются ссылки под статьей.

___________________________________

*Лекция разработана по заказу АНО «Волгоградский центр международного гуманитарного сотрудничества» в рамках проекта «Будущие лидеры технологий XXII века», реализованного в феврале-октябре 2021 года с использованием гранта Президента Российской Федерации, предоставленного Фондом президентских грантов. Автор: Морковин Евгений Игоревич, доцент, к.м.н., доцент кафедры фундаментальной медицины и биологии ВолгГМУ, зав.лаб. нейропсихотропных средств НЦИЛС ВолгГМУ. г. Волгоград, 2021 г.