Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Молекулярная динамика может моделировать движения огромного числа молекул, но временные шаги очень малы – часто не более 1–5 фс, где фемтосекунда равна одной квадриллионной доле или миллионной миллиардной доле секунды (грубо говоря, фемтосекунда к 1 с – это как 1 с к 30 миллионам лет). Для решения этой задачи необходим специально настроенный суперкомпьютер. Одним из примеров является проект Anton, созданный компанией D. E. Shaw Research в Нью-Йорке, который позволил моделировать миллионы атомов в миллисекундном диапазоне[280]. Эти симуляции занимают от миллиардов до триллионов временных шагов. Например, Фред Стрейц из Лос-Аламоса и Дуайт Ниссли из Национальной лаборатории Фредерика использовали суперкомпьютер Sierra в Ливерморской лаборатории для проведения крупномасштабного молекулярно-динамического моделирования возникновения рака, моделируя 300 белков RAS, которые при этом заболевании часто мутируют. В общей сложности они создали 100 000 микроскопических моделей поведения белков всего за 200 мс[281].

Но точно так же, как карта лондонского метрополитена может помочь нам достичь цели, не зная подробной географии города, так и мы можем продвинуться, моделируя ВИЧ-инфекцию, зная только молекулярных игроков и их поведение, фиксируя биохимические изменения в виде дифференциальных уравнений. Используя реалистичные параметры скорости, основанные на эмпирических данных и байесовских методах, мы можем изучить влияние виртуального заражения.

Мы можем воспроизвести ВИЧ-инфекцию с помощью математики. Например, в более ранних исследованиях Питер работал со своим аспирантом Кашифом Садиком и командой под руководством Виктора Мюллера из Будапештского университета Лоранда Этвеша над изучением сети химических реакций, описывающей производство белков вируса ВИЧ в клетке-хозяине, сведя его к обыкновенным дифференциальным уравнениям. Эта математическая модель хорошо согласовывалась со многими экспериментальными наблюдениями, такими как время, необходимое для созревания частицы вириона ВИЧ. Вооружившись своей моделью, они также смогли провести «анализ чувствительности», выявив относительную важность различных этапов формирования вируса[282]. Такие идеи могут помочь в разработке новых ингибиторов – лекарств, которые будут мешать этим этапам и задерживать распространения вируса.

Давайте сосредоточимся на одном конкретном аспекте того, как организм борется с инфекциями. Все белки внутри клеток постоянно распадаются, особенно в клеточных подсистемах (органеллах, известных как протеасома и лизосома), и чужеродные белки ведут себя таким же образом, в том числе белки вторгшегося вируса. В конечном итоге вирусные белки расщепляются на куски, называемые пептидами, обычно длиной примерно от 8 до 10 аминокислотных остатков, которые оказываются на поверхности инфицированной клетки. Эти фрагменты важны, поскольку они предупреждают иммунную систему о вторжении в клетку.

Выдающийся подвиг: ваша иммунная система должна обнаружить иголку – пептиды захватчиков, таких как вирусы и бактерии – в стоге сена, состоящем из огромного количества собственных пептидов. Способность отличать свое от чужого, таким образом, имеет решающее значение для эффективности иммунной системы. Обнаружение инфекции сводится к распознаванию определенных аминокислотных последовательностей длиной около 10 остатков и выяснению, являются ли они продуктами распада клетки, то есть собственными пептидами, или остатками захватчика.

Чтобы превратить это понимание в модель, нам нужно определить количество белков в каждом вирусе и сколько времени требуется, чтобы разложить их на пептидные части. Этот распад можно выразить как период полураспада (промежуток времени, по истечении которого половина белков, первоначально присутствующих в образце, расщепляется), а затем время, необходимое для их сборки в новые вирусы[283]. Для производства другого инфекционного вируса необходимы вирусная РНК и вирусные белки, особенно три, известные вирусологам под короткими именами, такие как Gag, Pol и Env. Мы можем измерить скорость образования этих вирусных компонентов, а также включения их в почкующиеся вирусы. Обнадеживает тот факт, что предсказания математической модели этой части процесса, сделанные Питером и его коллегами, хорошо согласуются с измерениями, проведенными на вирусе[284].