Красота с научной достоверностью

Что нужно, чтобы создать модель вируса с точностью до атома

Модель вируса Зика. Изображение: Visual Science

Вирус Зика — новая неожиданная угроза для человечества, которая внезапно появилась как будто из ниоткуда. Данных по этому вируса пока очень мало, но, тем не менее, специалисты студии биомедицинской визуализации Visual Science создали 3D-модель вируса Зика в атомном разрешении. «Чердак» узнал, как им это удалось.

На вопросы ответили основатель студии Visual Science Иван Константинов и научный консультант проекта Юрий Стефанов.

— Что нужно, чтобы создать модель вируса с такой высокой детализацией?

— Работа включает несколько этапов. Мы начинаем с обзора, анализа и систематизации доступной научной информации о строении вируса. Важно понять, что известно про размеры и морфологию частицы, типы белков и других молекул, в нее входящих, их количество, структуру и взаимодействия. Тут часто приходится консультироваться со структурными вирусологами, которые занимаются этим конкретным вирусом непосредственно. Кроме того, мы часто используем данные криоэлектронной микроскопии и 3D-реконструкции структур на ее основе. Это очень мощный инструмент, с его применением делаются красивые и интересные публикации.

— Неужели все вирусы, модели которых вы уже создали, настолько хорошо изучены?

— Есть вирусы, которые изучены лучше, а есть такие, про которые известно относительно мало. Самая распространенная проблема — отсутствие данных по полным структурам отдельных белков и их комплексов, которые ученые получают при помощи рентгеноструктурного анализа, ЯМР-спектроскопии и криоэлектронной микроскопии. К счастью, в большинстве случаев можно эти структуры смоделировать, используя методы структурной биоинформатики. После того как получены все модели отдельных составных частей и поняты взаимодействия между ними, происходит сборка полной частицы в средах для трехмерного моделирования. Собранная модель визуализируется, на ее основе создаются иллюстрации, 3D-плагины, видео.

Модель вируса гриппа. Изображение студии Visual Science


— Но вирусом Зика ученые заинтересовались совсем недавно (причиной стала эпидемия вызванной вирусом лихорадки и ее неизвестное ранее последствие — микроцефалия у младенцев, рожденных от переболевших матерей. Подробнее о болезни и ее стремительном распространении можно прочитать тут). Вряд ли за несколько месяцев удалось накопить достаточно данных для такой детальной модели.

— Вирус Зика изучен довольно плохо со структурной точки зрения, однако хорошо изучены многие его родственники (например, вирус Денге), на основе данных о котором можно с неплохой достоверностью моделировать белки вируса Зика. В таких ситуациях возможности биомедицинской визуализации и моделирования особенно востребованы.

— Возможно ли как-то проверить, что ваша модель действительно отражает реальное строение вируса?

— Фактически наши модели являются научным обзором, выполненным в графической форме. Чем больше сведений накоплено учеными, тем точнее и полнее обзор.

Разумеется, по мере накопления новых данных о тех или иных компонентах или аспектах строения вирусов какие-то сведения, которые не были точно известны, когда мы создавали модель, проясняются и уточняются. Мы планируем по мере того, как будут появляться новые данные, делать уточненные версии моделей.

— Можно ли публиковать полученные вами в ходе работы над моделью данные в научных журналах? Ведь по сути вы проделываете вполне себе полноценное исследование?

— Все же это в большей степени обзор, нежели самостоятельное исследование. Хотя нам попадались статьи в научных журналах, в которых ученые моделируют или рассчитывают динамику целых вирусных частиц. Некоторые из них прибегали к существенно большим упрощениям и допущениям, чем мы. Так или иначе, хорошая научная работа все же подразумевает выход на какой-то практический результат. В случае с вирусами это может быть, например, описание взаимодействия вирусных белков с лигандами, которые являются потенциальными лекарствами от этого вируса. Мы ставим перед собой несколько другие задачи.

Модель аденовируса. Изображение студии Visual Science


— Как вы выбираете цвета для разных частей модели? Что они означают? Ведь говорить об обычном цвете при таком разрешении не приходится.

— Во всех вирусах Viral Park (проект Visual Science по созданию 3D-моделей самых важных вирусов) принята такая схема: оттенками серого показываем компоненты, которые вирус берет из клетки хозяина (человека). Оттенками других цвета (для каждого вируса он свой) — то, что кодируется геномом самого вируса.

— Сколько времени занимает создание одной модели?

— Сроки зависят от множества факторов. Бывают маленькие и простые вирусы, модель которых можно сделать и визуализировать за две-три недели, а бывают огромные и очень сложно устроенные, про которые к тому же мало что известно со структурной точки зрения. Время на их моделирование даже сложно оценить.

— Что происходит на каждом отдельном этапе сборки?

— На этапе сбора информации приходится часто сталкиваться с тем, что отдельные данные, полученные разными группами ученых, не в полной мере соответствуют друг другу. Для того чтобы прояснить какие-то моменты, мы часто связываемся со специалистами по устройству конкретных вирусов. Это очень занимательный процесс — многие ученые с удовольствием нам помогают.

Моделированием структур отдельных белков, их недостающих частей, взаимодействий друг с другом или нуклеиновыми кислотами занимаются биоинформатики из нашего отдела научного моделирования. Это действующие ученые, которые работают в научно-исследовательских институтах.

Сборка всего вириона требует некоторой адаптации отдельных молекулярных структур, полученных биоинформатиками, и участия специалистов с другим бэкграундом. Это 3D-моделлеры, технологи, программисты, работающие не только в сфере научного моделирования. Они работают в тесном контакте с научным отделом. 

Визуализация — отдельная задача, которую решают специалисты еще одного профиля. Что именно мы будем делать на этой стадии, зависит от того, какая именно модель должна получиться на выходе. Помимо иллюстраций, видео, дополненной и виртуальной реальности, мы разработали интерактивные форматы, позволяющие рассматривать модель с разных сторон, увеличивать и выделять отдельные элементы с пояснительными подписями прямо на сайте, с телефона или любого другого современного устройства. 

— Возможна ли теоретически ситуация, когда специалист, глядя на готовую модель, где имеющиеся разрозненные данные собраны воедино, вдруг понимает что-то, чего он до этого не понимал о том или ином вирусе?

— Мы думаем, что да, хотя пока о таких инсайтах нам неизвестно. Нередко нам приходится сталкиваться с ситуациями, когда, например, в статьях на основе молекулярных методов пишут о том, сколько таких-то белков внутри такого-то вириона. При этом когда мы начинаем заполнять описываемое пространство внутри модели, мы понимаем, что такое количество указанных белков просто не поместится. Возникают интересные вопросы для обсуждения с вирусологами.

— Есть ли у вас ощущение, что в будущем можно создать программы, которые смогут делать подобные модели, чтобы свести участие человека к минимуму? Условно: вы загружаете в нее данные статей, приведенные к какому-то общему виду, она их анализирует и на выходе выдает модель.

— С такой инициативой к нам обращалась несколько лет назад компания Autodesk, один из лидирующих разработчиков 3D-програмного обеспечения. Позже такой продукт действительно был создан совместно с институтом Scripps, но на данный момент результаты, которые можно получить таким способом, уступают нашему подходу.

Модель вируса Зика. Изображение студии Visual Science


— Для чего будет использоваться эта и другие ваши модели? Пригодится ли она ученым или это все же чисто образовательная история?

— Наша цель в основном лежит в области образования и популяризации науки. Мы уверены, что такая форма представления информации о строении сложных объектов на микро- и наноуровне будет очень полезна студентам и профессорам, MOOC, музеям и научно-популярным проектам.
 
— Видите ли вы будущее за профессиями, подобными тем, что у вас? Или это все же нишевая отрасль, которая решает конкретные задачи?

— С ростом количества накопленной информации методы ее обработки, анализа и представления приобретают все большее значение. Научная визуализация тем более становится все более актуальной с каждым годом, потому что именно в области естественных наук — и особенно биологии — в ближайшие десятилетия мы увидим наиболее яркие открытия. Сейчас к нам обращаются крупные IT-компании, перед которыми стоит задача анализа и визуализации больших данных в области life science.

Вторым важным направлением является сфера образования и популяризации науки. Сейчас там происходит большое количество порой драматических изменений, и это во многом обусловлено развитием технологий в сфере IT, дополненной и виртуальной реальности. Безусловно, то, что мы делаем, будет очень востребовано в будущем и с точки зрения технологических наработок и с точки зрения сути — донесения информации о природе сложных и недоступных для глаза объектов в достоверной и привлекательной форме.

Отдельное направление нашей работы — это представление результатов научной деятельности. Большая часть широкой аудитории не следит за статьями в рецензируемых журналах, и таким людям трудно самим интерпретировать результаты работы ученых.
Научно достоверная визуализация с анимацией и пояснениями наглядно разъясняет смысл того или иного исследования и его потенциал для практического применения. Это помогает выстраивать взаимодействие между учеными, бизнесом и СМИ, а также дает представление о том, насколько важна наука для повышения качества жизни людей.


В свою очередь, это приводит к лучшему финансированию исследований и к более быстрому применению их результатов на практике. И в этом направлении мы помогаем ведущим исследовательским институтам и университетам вывести их коммуникацию со общественностью на новый уровень.
Ирина Якутенко
Теги:

Читать еще на Чердаке: