Новый инструмент в биологии и технологиях

C середины 1990-х годов молекулярное моделирование приобрело исключительное значение в биофизических и нанотехнологических исследованиях как один из самых мощных подходов и методов компьютерного анализа. Применения методов молекулярного моделирования достигли той точки отсчета, с которой они способны обеспечить реальный взгляд на процессы и механизмы, протекающие в физических, химических и, в особенности, биологических системах (ДНК, белки и подобные структуры). Точность, эффективность, прямое сравнение с экспериментом плюс возрастающая с каждым годом вычислительная мощность сделали методы молекулярного моделирования незаменимым инструментом в науке и инженерии.

Ключ для выяснения природы большинства макроскопических и глобальных природных явлений лежит именно в знании закономерностей процессов, происходящих на атомно-молекулярном уровне. В указанном направлении наибольшего развития и процветания добились вычислительные группы из Японии и США. Это было основным аргументом, на основании которого дирекцией ОИЯИ принималось решение о создании нового сектора - компьютерного молекулярного моделирования на базе Отделения радиобиологических и радиационных исследований. Руководителем нового сектора был назначен профессор Х.Т.Холмуродов, который в течение многих лет сотрудничает с вычислителями ЛИТ ОИЯИ, в последние 5-6 лет работал в Японии (Университет Нагоя, РИКЕН), успешно сотрудничал с учеными из Великобритании (Даресберри), США (Национальный институт здоровья, Университет Небраски) и т.п.

Примечательно, что новый сектор очень быстро начал функционировать и организовал первое в России Международное совещание "Молекулярное моделирование в науках о веществе и в биологии". Оно собрало специалистов в различных областях знаний - компьютерном моделировании, физике твердого тела, биологии и других, из ведущих научных центров Японии, США, стран Европы, российских академических институтов и университетов, ОИЯИ. Доклады, представленные на совещании, охватывали широкую тематику: методы молекулярной динамики в моделировании ДНК, РНК и белков, нанокластеры, мембраны, квантовая биофизика, молекулярное моделирование физических или химических систем, параллельный компьютинг в биомолекулярном моделировании.

More >>

 


О роли компьютерного молекулярного моделирования в физических исследованиях, современной инженерии и инновационном процессе рассказывают участники совещания:

Ф. Пичиерри (Университет Тохоку, Япония):

 
Это совещание предоставило нам возможность увидеть результаты работы ученых, занимающихся исследованиями в различных областях, решающих различные проблемы с помощью методов молекулярного моделирования. Очень важно, и это видно из сделанных докладов, что методы молекулярной динамики, а именно компьютерное моделирование, дополняют экспериментальные исследования. Это дополнение довольно эффективно, оно позволяет ответить на различные вопросы. Кроме описания экспериментальных данных, молекулярная динамика дает хорошую возможность предсказывать результаты некоторых выполняемых экспериментов, а также и таких экспериментов, которые просто невозможно выполнить. На совещании я услышал много интересного для себя, видна большая активность исследователей в широком диапазоне проблем. Я надеюсь, что продолжением этого совещания станет для меня сотрудничество с коллегами из ОИЯИ в решении, прежде всего, биологических и биофизических задач.

К. В. Шайтан (МГУ):

 

Это - одно из первых узконаправленных совещаний по молекулярной динамике в России. Само молекулярное моделирование сейчас довольно важно для развития новых молекулярных технологий в широком смысле слова. Молекулярное моделирование применяется на стыке фармокологии, нанотехнологии, отраслей науки и техники, связанных с созданием новых материалов. Этот перекресток наук, возникший всего 10-15 лет назад, сегодня очень интенсивно развивается. Россия в области молекулярной динамики не является новичком или отстающей страной. Хотя у нас работает не так много специалистов, как, например, в США, но многие основополагающие работы были сделаны именно в России и СССР. Исследования начались в 70-х годах в Институте прикладной математики под руководством М.В.Келдыша, ведутся в Институте высокомолекулярных соединений (Санкт-Петербург), Институте биоорганической химии РАН, Институт физико-химических и биологических проблем (Пущино), ОИЯИ. Сейчас исследования в области молекулярной динамики интенсивно развиваются и в МГУ, складывается сотрудничество между несколькими кафедрами биологического и механико-математического факультетов университета.

В последние годы в России удалось сформировать научное сообщество по молекулярной динамике. В январе успешно прошло совещание по нанотехнологиям и молекулярному моделированию. Оно продемонстрировало, что это направление в России имеет хорошие перспективы, поскольку представляет не только фундаментальную науку, но и своеобразный мостик, который может быть перекинут от фундаментальных знаний о строительстве вещества к созданию новых материалов, устройств, что уже относится к сфере инновационных процессов. Молекулярная динамика, которой посвящено это совещание, фактически является инструментом, позволяющим перевести наши фундаментальные знания о молекулах в плоскость молекулярной инженерии и биоинженерии, то есть в плоскость молекулярных конструкций, проигрывать сценарии работы с большими биологическими группами, и другое. Нынешнее совещание, состоявшееся при активном участии японских коллег, говорит о том, что здесь было интересно обсуждать различные проблемы.

Сегодня учащаяся в МГУ молодежь активно идет на это направление. И нельзя сказать, что сегодня все уезжают на Запад - активно уезжали до начала 90-х годов. Сейчас выпускники университета перетекают внутри страны в другие, более оплачиваемые сферы деятельности. Хотя, конечно, уходят не все. Но даже те, кто уходит и уезжает, за 4-6 лет учебы на старших курсах и в аспирантуре успевают что-то сделать в науке. Сегодня на таком протоке и делается наука. Но не может не беспокоить нависшая угроза провала в среднем поколении ученых.

Т. Иитака (РИКЕН, Япония):

 

С профессором Х.Т.Холмуродовым мы сотрудничаем уже 5-6 лет. Существуют два подхода при моделировании многих объектов и, в частности, биологических. Первый - квантово-химические вычисления. Этот подход более точный, но ограниченный - с его помощью невозможно моделировать большие объекты типа белков, это требует больших технических ресурсов. Второй подход - стандартный, классический. И здесь молекулярная динамика позволяет моделировать большие системы, но для этого требуются некоторое потенциальное поле, межмолекулярные силы, которые как раз может дать первый подход. Таким образом, эти подходы дополняют друг друга, и именно их применением для исследования различных объектов мы с Х.Т.Холмуродовым и занимаемся. Применение молекулярной динамики для исследования белков - многообещающее направление. А ведь еще лет пять назад оно было невозможно.

Надеюсь, наше сотрудничество будет продолжаться, причем не только на основе двух этих подходов, но и на основе специализированных высокопроизводительных компьютеров, разрабатываемых сейчас в РИКЕН.

 

Беседовала Ольга Тарантина