Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Из миллионов различных химических реакций, происходящих внутри клетки, давайте сосредоточимся на моделировании одной цепочки реакций, которая возникает, когда в наши тела вторгается то, что нобелевский лауреат и английский биолог Питер Медавар (1915–1987) однажды назвал «плохие новости, завернутые в белок».

Мы постоянно сталкиваемся с вирусами. По одной из оценок, общая масса нониллионов вирусов на Земле эквивалентна массе 75 миллионов синих китов[271]. Вирусы, обычно имеющие диаметр около 100 миллиардных долей метра, оживают только тогда, когда сталкиваются с живыми клетками. До тех пор они представляют собой не более чем инертный пакет генетических инструкций (они могут иметь форму ДНК или РНК), обернутых слоем жира и белка, часто с белковыми шипами, которые позволяют им цепляться за клетку-хозяина и проникать внутрь. Как только вирус проникает в клетки, его искаженные гены управляют нашей собственной клеточной биохимией с единственной целью: размножаться. После размножения вирус собирается в вирион, который вырывается из клетки, обычно вызывая ее гибель, чтобы нанести еще больший ущерб.

С ростом мирового населения, приводящим к глубоким изменениям в землепользовании, вирусы, циркулирующие среди животных, все чаще распространяются и вызывают серьезные заболевания у людей[272] – такова была история ВИЧ, атипичной пневмонии, MERS, Эболы и величайшего кризиса здравоохранения последних десятилетий – SARS-CoV-2. Используя технологию цифровых двойников и знания о размножении вирусов, полученные за последнее столетие, мы теперь можем моделировать эти инфекции на компьютере.

Например, когда дело доходит до разработки противовирусных препаратов, нам необходимо знать, как выглядит вирус на атомном уровне. Здесь компьютеры также играют важную роль, будь то в понимании дифракции рентгеновских лучей или расширении электронной микроскопии, называемой крио-ЭМ, которая достигла атомного разрешения[273] и может выявить трехмерную молекулярную структуру по двумерным томографическим проекциям отдельных молекул (рис. 26)[274].

Благодаря исследованиям с использованием этих и многих других техник у нас есть огромное количество информации о том, как работают вирусы. Однако, хотя они и являются простыми объектами, с иммунной системой организма они взаимодействуют тонкими и сложными способами. Например, в случае с SARS-CoV-2 во время пандемии внимательно отслеживался рост и падение числа различных мутаций, но невозможно было предсказать, как генетическое изменение повлияет на способность нового штамма распространяться и убивать. Не случайно предисловие нашей второй книги написал Барух Бламберг, получивший Нобелевскую премию за работу над вакциной, предотвратившей миллионы смертей от гепатита В и рака печени. Он оценил ценность науки о сложности для медицины.

Рисунок 26. Слева – криоэлектронная микроскопия вируса SARS-CoV-2. Справа – крупный план шипов, которые он использует для проникновения в человеческие клетки (© 2022 Mrc Laboratory of Molecular Biology)

Из-за сложной природы иммунной системы для создания виртуальной версии нам нужно начать с того аспекта вирусной инфекции, который хорошо изучен, и экспериментальные данные могут помочь нам понять причину, механизм и следствие. Хотя борьба с COVID-19 дала толчок к использованию высокопроизводительных компьютеров для моделирования инфекции и поиска противовирусных препаратов, в разработку которых мы смогли внести свой вклад, давайте начнем с рассмотрения вируса, который существует гораздо дольше, гораздо лучше изучен и уже имеет надежные компьютерные модели заражения.

Виртуальный ВИЧ

Вирус иммунодефицита человека, ВИЧ, также передался людям от животных. В случае СПИДа пандемия возникла из-за вируса, переданного от шимпанзе на юго-востоке Камеруна около столетия назад[275][276]. Воздействие вируса пагубно, поскольку поражает иммунную систему, которая должна защищать организм.

Десятилетиями исследователи изучали детали того, что происходит, когда ВИЧ атакует тип лейкоцитов, называемый иммунными клетками CD4. Сегодня мы знаем достаточно, чтобы смоделировать ключевые аспекты ВИЧ-инфекции для тестирования лекарств, вакцин, методов лечения и диагностики.

В принципе, можно смоделировать инфекцию «снизу вверх» и использовать моделирование молекулярной динамики для оценки подробной кинетики, исходя из того, как взаимодействуют большие деформируемые молекулы[277], наряду с многомасштабным моделированием (подробнее позже), чтобы понять колебания, которые происходят, когда белки сталкиваются друг с другом. Но воспроизвести последствия инфекции на миллионах белков на уровне клетки, которая примерно в 1000 раз больше, чем составляющие ее белки, – непростая задача[278][279]. Более того, эти процессы занимают до нескольких часов, что по молекулярным меркам – вечность.