Присуждена Нобелевская премия по химии 2024 года. Награды удостоены американский ученый Дэвид Бейкер, а также британцы Джон М. Джампер и Демис Хассабис. Они сумели «взломать код удивительных структур белков».

Бейкер смог создать совершенно новые виды белков, а Хассабис и Джампер разработали модель искусственного интеллекта для предсказания сложных белковых структур.

Заведующая кафедрой биохимии, биотехнологии и фармакологии Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета Рамзия Киямова и профессор Института физики КФУ, ведущий научный сотрудник НИЛ «Структурная биология» ИФМиБ Константин Усачев рассказали о научных прорывах нобелевских лауреатов и о том, как их достижения используют в работе ученые и студенты Казанского университета.

«Биохимик и специалист по вычислительной биологии Дэвид Бейкер удостоен премии "за вычислительный дизайн белков". Его научная группа разработала алгоритмы Rosetta для предсказания свойств белков и дизайна искусственных белков с анализом их свойств. Кроме того, эта группа также провела дизайн ряда "воображаемых" искусственных белков, которых нет в природе и которые могли бы быть использованы в разных областях науки. Один из них –  белок TOP7. Ученые сначала его предсказали, задав программе необходимые характеристики, а потом экспрессировали в бактериях, почистили и изучили, в том числе получили кристалл и структуру», – объяснила профессор КФУ Р. Киямова.

Она добавила, что нейробиолог Демис Хассабис и его коллега Джон М. Джампер удостоены премии «за предсказание структуры белков с помощью алгоритма AlphaFold2».

«Алгоритмы Rosetta и AlphaFold2 предназначены для предсказания структуры белков, они позволяют получать белки с заданными свойствами, что важно как для фундаментальных исследований, так и для разработки таргетных препаратов для лечения заболеваний человека, в том числе нейродегенеративных и онкологических», – особо отметила ученый.

По словам биохимика, во многих лабораториях Казанского университета применяют эти алгоритмы для биомедицинских исследований. Одна из них – НИЛ «Структурная биология», где проводятся структурные исследования белоксинтезирующего аппарата патогенных бактерий  и осуществляют подбор и скрининг ингибиторов трансляции, изучают конформацию и трехмерную структуру ряда лекарственных средств  в растворах и в комплексах с моделями мембраны клетки.

«Для понимания процессов, протекающих в живых клетках, ученым необходимо анализировать, как молекулы белков устроены на атомарном уровне. Этим занимается структурная биология, основными методами которой являются ЯМР-спектроскопия, рентгенструктурный анализ, криоэлектронная микроскопия и биоинформатика. Получение структуры – это сложный и трудоемкий процесс, и каждая решенная структура белка – это маленькая победа, которая идет в копилку международного банка белковых структур PDB. Новые расчетные методы позволяют анализировать все многообразие решенных структур и на их основе обучать нейронные сети для предсказания структуры белков без необходимости проведения экспериментов. Именно за это и была присуждена сегодня Нобелевская премия», – сообщил Константин Усачев. 

Достижения, отмеченные Нобелевской премией по химии, считает Усачев, изменили наши представления о возможностях изучения многообразия живых систем и позволяют предсказывать новые варианты белков, даже таких, каких нет в живой природе. Это позволяет делать новые ферменты для  биотехнологии, новые сенсоры для биороботов, новые лекарства для фармакологии.

В лаборатории «Биомаркер» ИФМиБ, которой заведует Р. Киямова, изучается структура мембранного белка натрий-зависимого фосфатного транспортера NaPi2b.

«Мы выдвинули гипотезу, что в его составе присутствуют так называемые опухоль-специфические эпитопы и домены, которые делают транспортер уникальной мишенью для таргетной терапии онкологических заболеваний. Что представляет собой такой эпитоп, мы и стараемся понять, в том числе с помощью алгоритмов искусственного интеллекта. Эти знания позволят нам приблизиться к пониманию того, как разработать эффективные противоопухолевые препараты без побочных эффектов», – рассказала доктор биологических наук.

Студенты и аспиранты КФУ используют программы, разработанные нобелевскими лауреатами, во время практических занятий. В частности, аспиранты кафедры биохимии, биотехнологии и фармакологии занимаются моделированием структуры отдельных белков с использованием алгоритмов Rosetta и AlphaFold2.