Детали мира
Может ли прочитанная книга повлиять на судьбу? Конечно, и тому много примеров. Эта история тоже началась с книги «Введение в структуру белка» Карла Брендена и Джона Туза . Учебник с прекрасными иллюстрациями, показывающими основы структуры и строения различных белков, произвел сильное впечатление на Ивана Константинова, в то время студента биофака МГУ им. М.В.Ломоносова. Иллюстрации были восхитительны, тогда в России (а это был 2003 год) ничего подобного еще не делали.
Жизнь шла своим чередом: окончание университета, два года работы в Институте молекулярной генетики РАН, а параллельно — проекты в области графического дизайна, 3D, интерактивных и веб-технологий. И каждый день этого короткого периода первичного накопления капитала — профессионального и жизненного опыта — лишь раздувал огонь желания заниматься научной графикой на самом высоком технологическом уровне. Не хватало лишь идеи, красивой и вызывающей. К 2007 году она сложилась и обрела очертания проекта «Парка вирусов».Удалось быстро собрать команду единомышленников, молодых биологов, химиков, структурщиков, дизайнеров, и учредить студию научной графики, анимации и дизайна «Visual Science». За проект «Парк вирусов» взялись в 2009-м.
Три года назад никто в мире и не помышлял браться за такую невероятно сложную задачу, как создание молекулярной модели вируса. Современные методы позволяют получать достоверные модели небольших молекул. Но они неприменимы для крупных надмолекулярных комплексов, не говоря уже о большей части вирусов. Однако все случилось так, как говорил Эйнштейн: все знали, что этого сделать нельзя, один не знал — и сделал. Уже в 2010-м изображение модели ВИЧ, созданное в студии Ивана Константинова, было признано лучшей научной иллюстрацией года, по версии журнала «Science» и Национального научного фонда США (NSF), и в этом же году опубликовано на обложке спецвыпуска «Nature Medicine», в галерее журнала «Cell», приуроченной к тридцатой годовщине открытия ВИЧ, и на страницах СМИ, таких, как «Нью-Йорк таймс». Сегодня оно уже вошло во многие авторитетные учебники и в ведущий мировой справочник «Вакцины», который журнал «Ланцет» называет Библией вакцинологов.
Вирус иммунодефицита стал первым обитателем «Парка вирусов» компании «Visual Science». Хотя начинали исследователи с вируса свиного гриппа. «Тогда, в 2008 году, мы еще не понимали, как подступиться, да и техника не позволяла нам работать с огромными массивами информации. Пришлось придумывать и создавать специальные алгоритмы, на что ушел не один год», — вспоминает И.Н.Константинов. Как и положено, первый блин вышел комом. Хотя - с чем сравнивать. Никто в мире до сих пор не может сделать и такого. Но на фоне моделей ВИЧ и Эбола, вскоре появившихся на свет, он действительно простоват и недостаточно детализирован». Однако эта проба пера вооружила исследователей полезным опытом и новыми инструментами моделирования. Теперь уже можно было браться за ВИЧ.
«Когда мы работали над моделью ВИЧ, казалось, что задачи сложнее не придумать, — рассказывает И.Н.Константинов. — Сотни тысяч молекул, хитроумная структура вирусной частицы. С такой сценой не справляются даже самые мощные компьютеры. Но когда мы взялись за вирус Эбола, который в десять — двенадцать раз больше ВИЧ, нам стало казаться, что ВИЧ — это очень просто».
Нет, это совсем не просто. Работа над моделью начинается с поиска и анализа информации. Научный отдел компании, в который входят биологи, все кандидаты наук, анализирует сотни статей в ведущих научных журналах с результатами исследований, проливающих свет на структуру той или иной части вируса. Из этих нескольких сотен отбирают несколько десятков самых значимых и авторитетных публикаций, где обобщены последние данные. На их основе отдел готовит обстоятельный обзор, который сам по себе — добротная научная статья.
Научную часть проекта «Парк вирусов» курирует кандидат биологических наук Ю.Ф.Стефанов, работающий в компании почти с самого ее основания. Его задача — найти белые пятна и спорные моменты в собранных данных и постараться их прояснить. А прояснить можно только в диалоге с ведущими исследователями в этой области. Поэтому компания определяет ключевых экспертов, или консультантов, связывается с ними, и начинается обсуждение.
Интересно, что на призыв к сотрудничеству откликается большинство потенциальных консультантов из ведущих лабораторий мира. Почему? Ведь все они, исследователи с громкими именами, и без того загружены работой. «Я рад этому обстоятельству, — признается И.Н.Константинов. — Каждый раз мы посылаем потенциальному эксперту очень честное и простое письмо, рассказываем о нашем инициативном и некоммерческом проекте — создавать предельно точные, научно достоверные, красивые и аккуратные модели вирусов человека. Наверное, наша честность и энтузиазм передаются через эти письма, и в большинстве случаев мы получаем ответ. Кроме того, созданные нами модели говорят сами за себя, и нас уже знают в мире».
Научный обзор изучает руководитель проекта, тоже биолог. В компании его называют «интегратором», потому что он разбирается во всех этапах создания модели — научной части, молекулярном и 3D-моделировании, дизайне и визуализации. После того как многие спорные моменты и узкие места прояснены с консультантами, интегратор составляет план, по которому начинают работать отделы молекулярного и 3D-моделирования. «Мы уже понимаем, какие белки присутствуют в конечной структуре, какие из них имеют полные структуры, какие — нет, какие комплексы надо создавать, — рассказывает И.Н.Константинов. — Например, поверхностные белки вируса. У этих молекул есть трансмембранные участки, подвижные петли, которые плохо кристаллизуются, поэтому полных данных об их структуре нет. При рентгеноструктурном исследовании эти участки отрезают и изучают основную, неподвижную часть: из нее можно получить регулярный кристалл и установить его структуру. Все недостающие элементы, включая гликозилирование поверхностных белков, мы воссоздаем, используя традиционные методы молекулярного моделирования и динамики».
В отделе молекулярного моделирования создают все компоненты структуры и комплексы, которые должны быть в конечной модели. Следующий этап — 3D-моделирование. Отдел получает точные 3D-координаты каждого атома во всех молекулах, входящих в состав вируса. Если у атома водорода радиус 0,53 ангстрема, то и в модели он будет точно такой же. Здесь фрагменты собирают в единое целое и получают полную модель вириона, которая отправляется в отдел дизайна и визуализации. «Мы не рисуем, а моделируем, то есть точно воспроизводим природную структуру по данным исследований, — объясняет И.Н.Константинов. — Дизайнер не может привнести неточность. Точность описания молекулярной поверхности известна и постоянна. Если вы видите белок на поверхности или липид в мембране, то будьте уверены, что мы точно знаем его пространственную структуру».
Конечный результат моделирования — это так называемая 3D-сцена, или несколько гигабайтов файлов. Это сцена с математическим описанием всех элементов вируса в виде полигонов — элементарных единиц поверхности. Всего лишь один липид в поверхностной мембране вируса (на рисунке одна тонкая серая черточка) содержит до 20 тысяч полигонов! Такая детализация, принятая в компании, необходима, чтобы показать атомную структуру этой модели.
На небольшой иллюстрации ВИЧ мы, разумеется, не можем рассмотреть каждый атом, эти детали слишком малы. «В большинство случаев мы не показываем атомную структуру, чтобы не зашумлять изображение, да и для многих целей это просто не нужно, — поясняет И.Н.Константинов. — Но такая модель позволяет получить изображение ВИЧ размером 50 тысяч пикселей на 50 тысяч пикселей, достаточным для печати иллюстрации площадью 25 квадратных метров с качеством обложки глянцевого журнала. И вот тогда мы увидим все, что там есть, вплоть до каждого атома». Ни один современный метод исследования не позволяет рассмотреть вирион, включая его внутреннее устройство, с такой степенью детализации.
Вообще, нет предела совершенствованию модели любого вируса. Наши знания неполны, и новые данные о фрагментах вирусов появляются каждый год, поэтому в готовую модель приходится вносить небольшие изменения.
И.Н.Константинова часто спрашивают: неужели ВИЧ или Эбола такие же красивые и яркие, как показано на картинках, и окрашены в такие же цвета? Нет, конечно, эти вирионы вряд ли вообще окрашены, поскольку не содержат хроматофоров. Но цвета, которые использованы в моделях, имеют смысл. «Оттенками серого во всех моделях "Парка вирусов" мы обозначаем компоненты, которые вирус захватывает из клетки хозяина, то есть не кодируются его геномом, — поясняет И.Н.Константинов. — На модели ВИЧ видно, что это — липиды поверхностной мембраны, некоторые белки внутри вируса, некоторые — на его поверхности, такие, как HLA-DR1, ICAM-1 или CD55. Компоненты, которые кодируются геномом вируса, окрашены оттенками цвета, принятого для этого вируса. Для ВИЧ — оттенки оранжевого, для Эбола — розового. У каждого вируса собственная цветовая гамма».
Модели этих смертоносных вирусов поразительно красивы. Видно, что дизайнеры компании не жалеют времени на работу с цветом, а при необходимости консультируются с художниками и скульпторами (в прошлом химиками и биологами), дизайнерами, то есть с людьми, обладающими тонким художественным вкусом. И делают это совершенно осознанно. Сегодня научной и образовательной графике очень трудно конкурировать с яркой рекламой, блокбастерами и компьютерными играми, которые создают лучшие специалисты в области визуальных эффектов. Молодым людям сложно сделать выбор в пользу чего-то невзрачного, хотя и интересного, когда со всех сторон ему предлагают яркое. Компании «Visual Science» удается совмещать грамотное, достоверное содержание с современными средствами подачи. Вот почему эти модели буквально завораживают, их хочется рассматривать.
«Если на каком-то начальном этапе молодым людям, школьникам и студентам, показать, как наука интересна и красива, то можно зажечь в них внутренний огонь, пробудить интерес к предмету, — рассказывает И.Н.Константинов. — На основе таких моделей мы можем делать не только научные иллюстрации для статей и учебников или плакаты с высоким разрешением. Мы создаем анимационные ролики, интерактивные образовательные веб-плагины, приложения для мобильных платформ iOS и Android. Тут огромный простор для фантазии. На мой взгляд, образовательное и просветительское значение таких моделей чрезвычайно велико».
Трудно с этим не согласиться. Хотя есть преподаватели, которые считают, что к иллюстрациям нужно относиться аккуратно и лучше особо на них не полагаться. Скорее всего, причина такого осторожного отношения — это опыт работы с иллюстрациями, созданными дизайнерами, которые не имеют профильного образования. Биохимия и молекулярная биология — это очень сложные области. Неспециалистам трудно в них разобраться, поэтому они не могут грамотно, достоверно и понятно изобразить, а значит — объяснить то или иное явление или объект».
Встречается и другая точка зрения. Ученый должен уметь проникать внутренним взглядом в суть вещей, привлекая на помощь все свое воображение. А модели, предлагаемые на стадии обучения, могут его ограничить, запомниться как непогрешимый образ. «Мысль изреченная есть ложь». Но именно граничные условия, которые возникают при создании моделей, как ни странно, оказывают бесценную услугу науке.
Представьте, что вы собрали огромный пазл, в котором не хватает нескольких деталей. Вместо них в собранной картинке зияют пустоты. Но по форме этого пустого места вы точно можете сказать, какой должна быть конфигурация недостающего фрагмента. Нечто похожее происходит и при моделировании вирусной частицы. Команда И.Н.Константинова часто сталкивается с неполными данными и белыми пятнами. По поводу структуры того или иного белого пятна есть несколько противоречивых гипотез, обсуждаемых в научном сообществе. Какая из них наиболее близка к истине? «Часто обсуждение с внешними экспертами не дает ответа на этот вопрос, они не могут выбрать предпочтительный вариант, ссылаясь на нехватку данных, — рассказывает И.Н.Константинов. — Но мы не можем не показать эти участки в нашей модели. И здесь на помощь приходит сам процесс моделирования. Когда с высокой точностью смоделированы все известные фрагменты вируса, возникают некоторые сдерживающие, ограничивающие условия, которые помогают в выборе более вероятной гипотезы для структуры неизвестных участков».
Богатое воображение и образное мышление необходимы исследователю. Для многих не составляет труда увидеть плоскую картинку в объеме или по описанию представить любой объект. Однако чтобы мысленно воссоздать образ вируса со всеми его деталями, нужно провернуть в голове огромный массив информации, который трудно собрать воедино. И не всегда исследователи и студенты способны выполнить такую работу мысленно.
Нет, от таких моделей, безусловно, есть польза. Хорошая иллюстрация помогает структурировать знания, воспринимать сложную пространственную информацию.
А сколько радости могут доставить эти модели обычным людям, чьи профессии далеки от науки! Ведь они показывают, как удивительно красиво и сложно устроен наш мир даже в самых мельчайших его деталях. Показывают, какой путь пришлось пройти науке, чтобы понять, как устроена вирусная частица, ее оболочка, какие молекулы находятся внутри и на ее поверхности, какова внутренняя структура.
Пять лет назад наш мир пополнился симпатичной и полезной деталью — студией «Visual Science», которая создает предельно точные и научно обоснованные модели других важнейших деталей мира — молекул, вирусов, анатомических структур, химических процессов, технологий, всего, что неразрывно связано с современной наукой и технологиями. Сегодня у компании отличная репутация, деятельность ее разрастается, работы очень много. Но у сотрудников по-прежнему в глазах светится азарт, потому что каждый день они занимаются тем, о чем мечтали. Один из самых любимых и красивых проектов «Парк вирусов» еще не завершен. Пока в нем немного обитателей. Но в ближайшие два года здесь пропишутся не менее десятка самых важных и распространенных вирусов человека. Будут созданы их модели с беспрецедентным уровнем детализации и точности. Он займут достойное место в научных журналах, учебниках и справочниках и обязательно вдохновят молодых людей на занятия наукой, на карьеру исследователя. От популяризации науки столь высокого уровня общество только выиграет.
Вирус иммунодефицита человека
Перед вами - самая точная и детализированная 3D-модель ВИЧ из когда-либо созданных. Она выполнена в студии «Visual Science». Модель создана на основе результатов более сотни научных публикаций ведущих специалистов в области вирусологии, рентгеноструктурного анализа и ЯМР-спектроскопии.
За тридцать лет, прошедшие со времени открытия ВИЧ, его довольно хорошо изучили. ВИЧ заражает преимущественно клетки иммунной системы человека и выводит их из строя. В результате в организме развивается синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД). Наиболее распространена разновидность вируса HIV-1 с размерами от 100 до 180 нм. Она окружена мембраной, в которой заякорены поверхностные белковые комплексы. Часть этих комплексов кодируется геномом самого вируса, а часть, как и сама мембрана, захватывается из клетки хозяина. Мембранные белки позволяют вирусной частице взаимодействовать с рецепторами на поверхности клеток-мишеней. После распознавания частица и клетка сливаются, а содержимое вириона попадает внутрь цитоплазмы.
Сердце вириона - белковый капсид конической формы (хорошо виден в самом центре изображения). В нем находится РНК - геном вируса и ферменты, обеспечивающие его размножение в клетке. Геном вируса иммунодефицита человека представлен двумя идентичными молекулами РНК, длина каждой из них чуть меньше 10 тысяч нуклеотидов. Всего геном включает 9 генов. Они кодируют 15 различных белков.
Внутри частицы ВИЧ, как и на поверхности его мембраны, находятся не только белки, кодируемые геномом самого вируса, но и белки, захваченные из клетки-хозяина.
После того как ВИЧ проник в клетку, обратная транскриптаза вируса синтезирует ДНК-копию его генома. Эта копия встраивается в клеточный геном, образуя провирус. Затем клеточные ферменты синтезируют на матрице провируса новые молекулы вирусной РНК, а также регуляторные и структурные белки вируса. Образовавшиеся вирусные белки становятся материалом для самосборки и почкования новых вирусных частиц. Они покидают породившую их клетку в поисках нового хозяина.
В модели с удивительной точностью воссозданы пространственные структуры 17 вирусных и клеточных белков, трансмембранные домены и статусы гликозилирования белков оболочки. Для моделирования мембраны вирусной частицы авторы использовали более 160 тысяч молекул липидов восьми видов в соотношениях, характерных для реальной частицы ВИЧ. Модель собрана из более 10 миллиардов полигонов - единиц поверхности вирусной частицы.
Оттенками серого в модели показаны структуры, захваченные вирусом из клетки хозяина, оттенками оранжевого - белки, кодируемые вирусным геномом.
Восьмого сентября 2010 года модель ВИЧ была помещена на обложку специального выпуска журнала «Nature Medicine», подготовленного Всемирным центром по разработке вакцин от ВИЧ. Изображение ВИЧ признано лучшей научной иллюстрацией в мире за 2010 год по версии журнала «Science» и Национального научного фонда США.
Липосома
Эту модель липосомы студия «Visual Science» создала по заказу корпорации «РОСНАНО», которая планирует в 2013-2014 году начать производство противораковых препаратов на основе липосом, иммунолипосом и моноклональных антител на заводе «Медсинтез» в Новоуральске. Лекарство с новой форой доставки разработали в Российском онкологическом научном центре им. Н.Н.Блохина РАМН.
Липосомы (что по-гречески означает «жирное тело») впервые наблюдал известный британский гематолог Алек Бенгэм в 1961 г. (правда, результаты были опубликованы лишь в 1964-м). Как часто бывает, произошло это случайно, когда Бенгэм с коллегами тестировал новый электронный микроскоп, купленный его институтом. Исследователи использовали классическую методику тестирования, добавляя контрастные вещества в разные препараты. При добавлении контраста к фосфолипидам ученые увидели образование двойного липидного слоя и липосом. Спустя десять лет, в 1971 году, профессор Грегори Георгиадис вместе с Брендой Риман впервые использовали липосому как средство доставки лекарств и вакцины.
Липосомальные препараты представляют собой пузырьки размером порядка 100 нанометров. Их получают, обрабатывая ультразвуком фосфолипиды в водной среде. Их внешняя оболочка состоит из одного или нескольких слоев фосфолипидов и сходна с природной мембраной клеток, а внутри содержатся лекарственное вещество (химиотерапевтические препараты доксорубицина, лизомустина, цифелина, аранозы, бактериохлорина) и вода. Впрочем, липосомы можно нагружать самыми разными лекарственными веществами, и не обязательно растворимыми в воде. Гидрофобное вещество может быть заключено в липидной оболочке липосомы.
Липосомы пассивно доставляют лекарство по адресу. Они выходят из кровяного русла в ткани там, где проницаемость сосудов повышена, то есть в растущих злокачественных опухолях. Иммунолипосомы сочетают пассивную адресную доставку с активной. На их поверхности закреплены антитела, способные распознавать специфические для опухоли молекулярные метки (опухоль-ассоциированные антигены).
Надо ли говорить о преимуществе лекарств в липосомальной форме? Они приносят токсичное вещество в клетки опухоли, тем самым снижая токсическую нагрузку на нормальные органы и ткани. Поскольку доставка препарата происходит точно по адресу и его биодоступность высока, то дозы ядовитого лекарства могут быть снижены. А кроме того, они протаскивают в больные клетки лекарственные вещества, которые без липосом в них попасть не могут.
Вирус Эбола
Наиболее точная и подробная трехмерная модель вируса Эбола (справа) также создана в студии «Visual Science». В ее основу легли данные о морфологии вируса, опубликованные за последние 20 лет в ведущих научных журналах. Для воссоздания структур белков и белковых комплексов авторы использовали опубликованные результата рентгеноструктурного анализа, криоэлектронной микроскопии, а также результаты молекулярного моделирования.
Эбола - один из наиболее крупных вирусов человека, его длина около 1400 нм, ширина - 80 нм. Вирус Эбола, как и вирус Марбурга (представители семейства филовирусов) возбуждают у человека острую геморрагическую лихорадку. Это заболевание приводит к смерти в 50-90% случаев в зависимости от штамма вируса. Эбола поражает преимущественно клетки эндотелия сосудов, а также некоторые клетки иммунной системы и печени. Симптомы заболевания - жар, головная боль, кровотечение слизистых, боль в мышцах, кашель, обезвоживание. Вирус обнаружили в 1976 году. С тех пор зафиксировано несколько довольно крупных эпидемий в Заире, Судане, Конго и Уганде. Количество инфицированных и умерших исчислялось сотнями. Известны несколько случаев заражений с летальными исходами, случившихся во время лабораторных исследований вируса.
Эбола, как и многие другие вирусы человека, имеет мембранную оболочку, формирующуюся из мембраны зараженной клетки. При почковании частица захватывает также часть мембранных белков клетки (например, компоненты главного комплекса гистосовместимости или поверхностные рецепторы), которые остаются в вирусной оболочке и могут влиять на инфекционные способности частицы.
Под мембраной вируса расположен главным образом белковый матрикс, имеющий, вероятнее всего, спиральную структуру. В самом центре вириона находится нуклеокапсид. Это также спиральная структура образована в основном крупным белком NP. Диаметр спирали около 50 нм, при этом внутри различим канал диаметром около 20 нм. Геном Эбола представлен одноцепочечной РНК, он содержит 7 генов и имеет длину чуть меньше 19 тысяч нуклеотидов.
Внутри вириона Эбола находятся РНК-зависимая РНК полимераза и минорные белки. Полимераза отвечает за синтез РНК вируса. Это самый крупный белок, кодируемый вирусным геномом. А минорные белки работают транскрипционными факторами и антагонистами интерферонового ответа.
В пространство внутри вириона в результате почкования попадают еще и клеточные белки, среди которых представлены в основном компоненты цитоскелета. Количество цитоплазмы, захватываемое вирусом, может меняться.
Модель вируса Эбола содержит точные структуры 11 различных белков, 18900 нуклеотидов геномной РНК и более 2,5 миллионов различных молекул липидов. Оттенками серого в модели показаны белки, захваченные вирусом из клетки хозяина, оттенками розового и фиолетового — белки, кодируемые вирусным геномом.
В 2012 году модель вируса Эбола стала призером международного конкурса научной графики, который проводит журнал «Science» и Национальный научный фонд США.