Математика в биологии, медицине и фармокологии
Всем известно выражение «Математика – царица наук». Математический методы применяются практически во всех областях человеческого знания. Благодаря им сегодня ученые могут анализировать огромные массивы данных, предсказывать или моделировать те или иные ситуации, улучшать работу различных систем. Но роль и значение математических методов в отдельных областях науки различны. Так, если сравнительно простые формы явлений описываются довольно полно (напр., в технике), то при исследовании более сложных процессов возникают проблемы. Например, разработка символической записи, алгоритмов решения задач, способов количественного анализа характеристик изучаемых явлений и т. д. Когда же приходится иметь дело с большими и сложно организованными объектами, например, в медицине, биологии и фармакологии, основная трудность исследования заключается уже не столько в развитии математических теорий и способов исследования, сколько в выборе исходных данных для последующей математической обработки, получении достаточно полных и обоснованных описаний процессов и явлений, сложных вычислений, а также в толковании результатов, полученных таким образом.
Возьмем такой случай как задача расшифровки ДНК. Зачем это нужно? Вот некоторые области применения этих знаний.
В Бельгии, Хорватии, Франции, России и Испании ученые собрали образцы грунта и очистили их, чтобы выделить образцы человеческой ДНК. В одной чайной ложке песка были найдены следы мохнатых носорогов, мамонтов, пещерных медведей и древних гиен, что осложняло поиски человеческих генов. Чтобы удалить генетические «помехи» ученые разработали специальный метод – они создали своего рода крючок из современной митохондриальной ДНК. Поскольку этот крючок принадлежал именно к человеческому виду, из общей путаницы образцов он «цеплял» только схожие по ключевым свойствам гены. Молекулярный инструмент помог обнаружить ДНК неандертальцев там, где археологи не находили ни их тела, ни какие-либо артефакты, принадлежащие этому виду.
Очень часто происходит так, что если скаковая лошадь хромает, ее усыпляют, т.к. лечение дорогостоящее и не приносит стопроцентных результатов С этой проблемой справились благодаря всего одному уколу. В ходе испытаний ученые выделили 2 гена и вкололи препарат на их основе в ноги хромых лошадей. Результаты были просто ошеломительными! Травма не просто прошла – через два месяца эти лошади уже снова смогли выступать на скачках. Революционные гены VEGF164 и BMP2 были введены в поврежденные связки и сухожилия, и молекулы ДНК спровоцировали образование новых кровеносных сосудов, костной ткани и развитие новой хрящевой ткани. Инновационная терапия пока что не особо распространена, но у нее явно огромный потенциал, как в плане лечения зверей, так и для исцеления людей. Лошади были в своей лучшей форме еще в течении года после уколов. Это дает надежду, что люди с травмами не только связок или сухожилий, но и позвоночника, смогут вновь испытать радость движения.
Чтобы научиться лечить опасное заболевание крови, китайские ученые воссоздали человеческих эмбрионов. Для проекта они клонировали эмбрионов и использовали биологический материал, взятый у пациента, страдающего от бета-талассемии. Как и многие другие генетические расстройства, бета-талассемия возникает из-за сбоя в ДНК человека. Наш генетический код состоит из 4 основных элементов — аденина, цитозина, гуанина и тимина (A, C, G, T). Эти азотистые основания содержат в себе целый учебник по формированию и функционированию человеческого тела. Замену одного единственного основания на другое принято называть точечной мутацией, из-за которой обычно и развиваются две трети генетических заболеваний. Чтобы выявить точечную мутацию, виновную в возникновении бета-талассемии, ученые проверили 3 миллиарда этих органических соединений в генетическом коде пациента. Оказалось, что все дело в замене одного гуанина. Метод базового редактирования ДНК позволил заменить гуанин на аденин и впервые вылечить заболевание на генетическом уровне. По мнению экспертов, в будущем базовое редактирование может оказаться полезным для борьбы со многими другими наследственными заболеваниями.
Преступники, чья генетическая информация уже есть в базе данных служб правопорядка, имеют все основания возненавидеть собственную ДНК, следы которой они нередко оставляют на местах своих злодеяний. Совпадение этих данных очень быстро посадит за решетку любого виновного. Но расследование обычно заходит в тупик, если на месте преступления обнаружены биологические следы злоумышленника, который раньше не попадался полиции. Совсем скоро и в этом случае следователи смогут устанавливать личность неизвестного. Например, с помощью техники, позволяющей воссоздать лицо человека на основании собранных генетических образцов. Метод назвали реконструкцией фенотипа по ДНК, и он может рассказать следователям, какого цвета у преступника волосы, глаза и кожа, откуда родом его семья, и даже есть ли у него веснушки.
Таким образом, зная генотип человека, теоретически можно предсказать многие его характерные черты, — не только цвет глаз и рост, но и предрасположенность к заболеваниям (именно это больше всего и интересует ученых и врачей) и даже к вредным привычкам! Однако самое сложное здесь то, что большинство таких признаков определяется совокупностью большого, хотя и конечного числа «опечаток» в геноме, которые потребуется обнаружить. Результат появления той или иной «опечатки» не всегда бывает предсказуемым и понятным. Зачастую эффект от замены одной буквы слишком незначителен, и у исследователей нет ясности, как она в принципе может влиять на фенотип.
Но ДНК играет лишь роль «флешки», храня информацию о белках, в то время как белки — сами «файлы». Белки — главные биологические молекулы. Они выполняют множество разнообразных функций: каталитическую, структурную, транспортную, рецепторную и многие другие. Жизнь на Земле по праву можно назвать белковой. Но так ли много мы знаем о структуре и функционировании этих веществ?
Белки — биополимеры, которые можно сравнить с бусами, где бусинами являются аминокислоты, соединенные между собой пептидными связями. В клетке белки синтезируются на специальных молекулярных машинах — рибосомах. Выходя из рибосомы, полипептидная цепь сворачивается, и белок принимает определенную конформацию, то есть пространственную структуру (рис.1). Жизненно важно, чтобы белок присутствовал в организме в определенной форме, то есть конформация должна быть «правильной» (нативной). Процесс сворачивания белка называется фолдингом. Самое интересное, что информация о трехмерной структуре «заложена» в самой последовательности аминокислот. Таким образом, белку, чтобы принять нативную структуру, требуется лишь «знать», в какой последовательности и какие аминокислотные остатки в нем присутствуют. Сравнение аминокислотных последовательностей белков, в данном случае гемоглобинов, различных организмов позволяет определять участки, важные для функционирования белков, а также эволюционную историю сравниваемых видов.
Рис.1 Правильное и ошибочное расположение белка
Кроме структурной геномики, существует область исследований, которая занимается предсказанием структуры белков и стремится развить эффективные методы создания правдоподобных моделей белков, структуры которых были определены экспериментально. Основным методом предсказания структуры белков и белок-белкового взаимодействия является симуляция процессов свертывания и связывания белков с использованием методов молекулярной динамики. Знание структуры белка может подсказать потенциальных партнеров для белкового взаимодействия и, тем самым, подтолкнуть исследователей к разработке или совершенствованию новых антител; объяснить фенотип проведенных мутаций; косвенно, помочь в определении места для проведения мутаций с целью изменения определенных фенотипов.
Также важной областью исследований современных молекулярной биологии и генной инженерии стало не только изучение белков, созданных природой, или комбинирование их в искусственных белках, но и проектирование принципиально новых белков с нужными свойствами (рис.2)
Рис.2 Слева: кончики белковых шипов многих вирусных белков состоят из 3 симметричных частей, одни выделена розовым. Справа: новый трехрукий противогриппозный белок (слева) связывает шип вируса гриппа
Некоторые белки напрямую связаны с заболеваниями. Информация о структуре белка необходима, чтобы объяснить и определить его функцию, а также, чтобы создать молекулу, которая бы состыковывалась с этим белком, если это необходимо в стратегии лечения. Стыковка часто используется для предсказания аффинности и активности небольшой молекулы лекарства по отношению к белку-мишени. Таким образом, стыковка молекул и остальные исследования играют важную роль в разработке лекарственных препаратов.
А о создании лекарственных препаратов мы поговорим в следующей статье.
Олеся Унтевская,
специально для проекта Elige.re