Физики из России ускорили "трехмерные сканеры" белков в 50 раз

Российские и французские физики создали новую методику трехмерного рентгеновского "сканирования" белковых молекул, которая работает в 50 раз быстрее уже существующих аналогов и позволит ученым быстро создавать новые лекарства.

"Метод был проверен на большой выборке данных, собранных из двух крупнейших биологических баз данных, BioIsis и SASBDB. Мы продемонстрировали, что "Pepsi-SAXS" работает от 5 до 50 раз быстрее, чем ранее применяемые методы CRYSOL, FoXS и трёхмерный метод Цернике в SAStbx. При этом "Pepsi-SAXS" не только не уступает им в точности, а даже выигрывает", — поясняет Сергей Грудинин из Московского Физтеха в Долгопрудном, чьи слова приводит пресс-служба МТФИ.

Сложные белковые молекулы в наших организмах состоят из нескольких тысяч аминокислот, чьи цепочки часто бывают закручены  в сложную форму благодаря взаимодействиям между отдельными "звеньями" этих пептидных цепей. Пока биологи не до конца раскрыли законы, по которым белки принимают определенную форму, и которые позволяют определять форму молекулы по ее формуле.

Поэтому структуру отдельных белков ученым приходится определять "вручную" – или используя компьютерные симуляции, или же замораживая отдельные молекулы белков при помощи жидкого азота и гелия и "просвечивая" их при помощи сверхмощных рентгеновских лазеров.

Результаты подобного трёхмерного "рентгена", как рассказывает Грудинин, нельзя сразу использовать для научных экспериментов и изучения структуры молекулы – их сначала нужно обработать и понять, как именно отражались пучки рентгена от разных частей молекулы во время получения снимка.

Как правило, анализ этих фотографий требует огромных вычислительных мощностей и большого количества времени, что побуждает отечественных и западных физиков и программистов искать способы упрощения и убыстрения подобного компьютерного "гадания по фотографиям".

Российские физики и их французские коллеги нашли способ ускорить этот процесс в 5-50 раз, используя новую методику получения рентгеновских снимков, при которой рентгеновский "сканер" собирает информацию только о тех частицах света, которые отразились от атомов и молекул в стороны и назад, а не вперед, вместе с основным потоком рентгена.

Подобная методика, как рассказывают ученые, позволяет получать рентгеновские фотографии молекул без особой подготовки и внутри растворов и живых клеток, однако она требует еще больше вычислительных мощностей, чем остальные виды рентгеновских "сканеров". В частности, на обработку данных только одного эксперимента уходило порядка 10 часов.

Грудинин и его единомышленники нашли способ упростить эти расчеты, опираясь на идеи, открытые еще в семидесятые года прошлого века немецким математиком Генрихом Штурманом (Heinrich Stuhrmann).

Он обнаружил, что для этого можно использовать особые математические функции, учитывающие то, как расстояние между разными типами атомов в белковой цепочке и характер их связи с молекулами воды влияет на то, как они рассеивают рентгеновское излучение.

Как показали первые эксперименты с этой методикой, данная система "трехмерного рентгена" для белков работает в десятки раз быстрее, чем конкурирующие методики анализа данных, и при этом для достижения высокой скорости не требуется жертвовать качеством вычислений. Подобную программу, как пишут ученые, можно использовать даже на ноутбуках с относительно медленными процессорами, что делает ее более удобной для использования на практике.

Как надеются Грудинин и его коллеги, их разработка поможет нам быстрее создавать лекарства  и антибиотики, а также ускорит создание новых органических материалов и поможет биологам начать выращивать искусственные органы.

По материалам: (https://ria.ru/science) 

Читайте другие материалы журнала «Международная жизнь» на нашем канале Яндекс.Дзен.

Подписывайтесь на наш Telegram – канал: https://t.me/interaffairs