Ученые Питерской Вышки совместно с Первым медом разрабатывают прототип лекарства от рака крови
В НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург работает научно-учебная лаборатория био- и хемоинформатики, где с помощью компьютерного моделирования и искусственного интеллекта создают прототипы новых лекарств. О современных технологиях в фармацевтике рассказывает руководитель лаборатории Юрий Порозов.
История создания
Научно-учебная лаборатория био- и хемоинформатики создана в декабре 2023 года на базе Школы физико-математических и компьютерных наук НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург. Однако ее история началась гораздо раньше: Юрий Порозов развивает это направление с 2009 года, после работы в научных центрах за рубежом.
«Выбор пал на петербургский кампус Вышки, потому что здесь создана отличная научная среда. Мне всегда интересно быть в самом начале создания новых направлений в университетах. Так было в Италии, где я стал первым сотрудником новой лаборатории, открывшейся в CNR, Pisa, так получилось и в Сеченовском университете. В Питерской Вышке направление биоинформатики только развивается, и это дает большие возможности для роста».
От структуры белка к новым лекарствам
Основное направление работы лаборатории — компьютерный драг-дизайн: создание молекул с заданными свойствами для борьбы с различными заболеваниями.
«Биоинформатикой можно заниматься, даже не имея глубоких познаний в биологии. В нашей лаборатории в Вышке успешно работают студенты компьютерных специальностей и студенты-физики. Они занимаются анализом данных и машинным обучением в приложении к медицинской химии и биологии. Однако мы с коллегами специализируемся именно на структурной биологии белков.
Исследователи могут с высокой точностью прогнозировать, как определенная молекулярная структура будет взаимодействовать с белком-мишенью и влиять на патологический процесс. «Для работы нужен только мощный компьютер, знания, доступ к специализированным базам данных и современному программному обеспечению. Однако важно понимать: мы не создаем готовые лекарства — это процесс, требующий многолетней работы и миллиардных инвестиций. Наша задача — находить биологически активные молекулы».
Как это работает
Еще в XX веке лекарства создавались по такой цепочке: химики придумывали молекулу «на бумаге», затем синтезировали и тестировали. Трудоемкий процесс требовал больших затрат, особенно в случае неудачи, когда всю работу нужно было начинать сначала.
Юрий Порозов
руководитель научно-учебной лаборатории био- и хемоинформатики
Компьютерное молекулярное конструирование позволяет очень быстро отсеивать малоактивные или токсичные соединения из базы данных, содержащей миллиард(ы) химических структур. С помощью специального программного обеспечения и собственных алгоритмов мы отбираем потенциально активные молекулы и моделируем их взаимодействие с белками-мишенями.
Компьютер автоматически анализирует соединения по множеству параметров, включая токсичность, растворимость, особенности химического синтеза, способность проникать через биологические барьеры. За неделю можно протестировать до миллиона вариантов, в зависимости от требуемой точности и полноты прогноза.
Такой подход уже показал свою эффективность не только с точки зрения затрат, но и времени, которое тратится на разработку. В итоге мы все равно обращаемся к химикам и биологам, но уже с конкретными результатами — предоставляем список из примерно 20–50 соединений и предлагаем синтезировать их для проверки. Из них обычно 2–3 структуры обладают требуемым уровнем биологической активности. Именно по такой схеме мы сотрудничаем с Первым медицинским университетом Санкт-Петербурга, СПбГУ, научными институтами в Москве и не только. Важно, что мы работаем в тесной связке с химиками и биологами — это позволяет быстро проверять наши прогнозы экспериментально, а по их результатам — вносить изменения в наши модели, проверять их вычислительно и снова идти в синтез. Успешный проект — это всегда несколько итераций.
Партнеры и проекты
Лаборатория активно сотрудничает с ведущими научными и медицинскими организациями. К специалистам Вышки обращаются с запросами на разработку соединений против конкретных заболеваний.
«У нас около десяти постоянных партнеров, с которыми мы ведем совместные исследования, — отмечает руководитель лаборатории. — Некоторые проекты уже показывают обнадеживающие результаты — например, несколько наших соединений продемонстрировали активность против определенных форм рака крови, есть и антимикробные новые соединения.
Даже когда не определена точная мишень, мы проводим комплексный анализ: изучаем базы данных, исследуем патенты, ищем перспективные сигнальные пути. Затем разрабатываем молекулу или пептид, способные воздействовать на выбранную мишень.
Важно понимать: до готового лекарства еще далеко — мы создаем структурную формулу нового вещества. Бывает и другая задача: когда уже есть существующее запатентованное соединение, и требуется его модифицировать таким образом, чтобы сохранить или увеличить биологическую активность и при этом не нарушить чужой патент».
Один из ключевых проектов лаборатории — создание препаратов для лечения некоторых форм миелодиспластического синдрома, в частности острого миелоидного лейкоза — тяжелого онкологического заболевания крови. В сотрудничестве с Первым медицинским университетом Санкт-Петербурга уже протестированы несколько молекул, показавших хорошую эффективность при низкой токсичности. Параллельно ведутся исследования по разработке новых антибиотиков, противовирусных препаратов и лекарств против диабета. Результаты регулярно публикуются в ведущих научных журналах.
Искусственный интеллект в разработке лекарств
В работе лаборатории активно используются методы машинного обучения и искусственного интеллекта. Например, старший научный сотрудник Максим Гуреев разрабатывает генеративные модели, которые помогают создавать новые молекулярные структуры и анализировать научную литературу.
«Искусственный интеллект анализирует огромные массивы данных о соединениях и их мишенях, выявляет закономерности и предлагает новые структуры. Генеративные, соревновательные модели искусственных нейронных сетей позволяют не только оценивать существующие молекулы, но и создавать новые соединения с заданными свойствами. В рамках этой части нашей работы мы готовы предложить бакалаврам и магистрантам направления «Прикладной анализ данных и искусственный интеллект» и «Машинное обучение и анализ данных» — проекты на стыке медицинской химии и машинного обучения», — рассказывает Юрий Порозов.
Подготовка кадров
В лаборатории работают два аспиранта и 5–6 студентов, регулярно привлекаются новые исследователи. «Мы приглашаем и химиков, и программистов, и биологов. Главное — желание учиться и не отступать перед трудностями», — подчеркивает ученый.
Результаты работы лаборатории био- и хемоинформатики НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург показывают, как современные компьютерные технологии и искусственный интеллект трансформируют процесс создания новых лекарств. При этом сохраняется тесная связь с традиционными методами химии и биологии — именно такой междисциплинарный подход позволяет добиваться значимых результатов в разработке новых лекарственных препаратов.
Юрий Порозов
руководитель научно-учебной лаборатории био- и хемоинформатики
Сегодня наиболее успешны междисциплинарные проекты. Если раньше научные направления развивались изолированно, то теперь именно на их стыке рождаются прорывные открытия. Биоинформатика — яркий тому пример. Студенты могут попробовать себя в разных направлениях — от чистой математики до прикладных разработок.
Лаборатория открыта для всех, кто интересуется биоинформатикой и разработкой лекарств. Студенты могут присоединиться к действующим исследовательским проектам или предложить собственные идеи для реализации. «Работая бок о бок с опытными исследователями, они получат бесценный практический опыт и возможность внести свой вклад в создание инновационных лекарственных препаратов. Мы всегда рады энтузиастам, готовым учиться и развиваться в этой перспективной области. Наши двери открыты для всех, кто хочет попробовать себя в междисциплинарных исследованиях на стыке компьютерных технологий и медицины. Дадим доступ к серверам, литературе, поделимся опытом — все есть, нужно только желание учиться», — заключает Юрий Порозов.