30 июля 2024
Виртуальная клетка поможет ученым быстрее разрабатывать новые лекарства
Научная группа направления «Вычислительная биология» Научно-технологического университета «Сириус» разрабатывает виртуальную клетку. Она поможет воспроизводить экспериментальные данные для конкретных типов клеток человека. Это позволит ученым проверять гипотезы на начальном этапе, не прибегая к живым клеточным культурам или модельным организмам. Что существенно сэкономит время при поиске новых мишеней и лекарственных средств. Исследование получило поддержку Российского научного фонда.
Увеличение вычислительных мощностей и появление новых подходов к анализу больших данных стало толчком для развития системной биологии — науки, исследующей сложные механизмы взаимодействия в живых системах. Одним из ключевых вызовов для ученых послужила разработка виртуальной клетки — модели, позволяющей insilico изучать механизмы в клетках и прослеживать наиболее вероятные реакции в них в ответ на изменения внешних и внутренних факторов, например чрезмерную активность определенного белка или выброс воспалительных факторов.
Чтобы построить подобную модель, ученым необходимо задействовать мульти(омиксные) технологии, тем самым объединив данные о ДНК (геномика), белках (протеомика), РНК (транскриптомика) и других типов веществ в клетке. Таким образом, от изучения и построения моделей целого организма исследователи перешли к моделированию на молекулярно-клеточном уровне. В области медицины этот шаг чрезвычайно важен, ведь он поможет определять и бороться с первопричиной развития патологии, а не просто бороться с симптомами.
Ученые Научно-технологического университета «Сириус» получили поддержку РНФ на проект по разработке подобной виртуальной клетки. Под руководством Федора Колпакова группа исследователей отберет конкретные омиксные данные клеточных линий, разработает собственную базу данных и архитектуру виртуальной клетки. По итогу работы, исследователи планируют разработать собственную модель тестирования для сравнения показателей виртуальной клетки с реальными данными, полученными от живых линий.
«Математическая модель, в каком-то смысле, является высшей формой моделирования. Таким образом, построение математической или компьютерной модели — это систематизация существующего знания о работе клетки. Мы сводим сведения экспериментальных данных в модель. Построение такой детальной виртуальной клетки позволит существенно расширить наше понимание работы реальной клетки», — отмечает Федор Колпаков, научный руководитель направления «Вычислительная биология» Научно-технологического университета «Сириус».
Виртуальная клетка позволит ученым проверять гипотезы на начальном этапе, не прибегая к живым клеточным культурам или модельным организмам. Это существенно сэкономит время при поиске новых мишеней и лекарственных средств. Так как ученые получат возможность моделировать варианты взаимодействия на молекулярном уровне.
На сегодня существуют модели клетки только для простых организмов, таких как бактерии Mycoplasma genitalium и Escherichia coli. Эти организмы устроены проще и данных об особенностях их метаболизма получено достаточно для построения модели, в то время как человеческий организм состоит из множества разных групп клеток, чье взаимодействие — предмет исследований по всему миру уже многие годы. Цикл исследований, который ученые Университета «Сириус» проведут для построения модели виртуальной клетки, будет состоять из нескольких этапов: получения данных, их анализа, интеграции, мета-анализа и построения модели. Подобный подход ученые уже проверили ранее, например для построения модели регуляции генной экспрессии отдельных генов при физической нагрузке. Он позволит использовать модель специалистам без навыков моделирования — биологам и медикам, что позволит широко использовать разработанный подход для исследований разных научных групп, в том числе тех, что занимаются поиском и разработкой лекарственных препаратов.
Важным компонентом при создании виртуальной клетки станет разработанная учеными платформа BioUML. Она служит инструментом для построения моделей сложных биологических систем. Благодаря ей уже созданы модели процессов запрограммированной клеточной смерти (апоптоза) и регуляции артериального давления. Помимо этого, виртуальная клетка ученых Университета «Сириус» — это проект с открытым исходным кодом. Исследователи готовы к сотрудничеству для создания наиболее эффективной и точной модели.
В исследовании примут участие аспиранты и магистранты программы «Биоинформатика». Проект реализуется в рамкам Государственной программы научно-технологического развития федеральной территории «Сириус» и регионального конкурса Российского научного фонда (проект № 24-14-20031, https://rscf.ru/project/24-14-20031/) с 2024 по 2026 год.