По методу Шерлока Холмса: как химики-предсказатели научились создавать лекарства будущего

Химики научились предсказывать будущее. Но никакой магии в этом нет: в основе хемоинформатики – так называют предсказательную химию – лежат законы математики. О технологиях будущего, о лекарствах и материалах, которые они помогают открыть, и о том, как этот метод связан с Шерлоком Холмсом – Е1.RU рассказал в перерывах между докладами на Менделеевском съезде директор лаборатории хемоинформатики в университете Страсбурга, профессор Александр Варнек. С 1992 года он работает в университете Страсбурга, до этого был доцентом в МХТИ имени Менделеева в Москве.

– Что такое хемоинформатика, если объяснять простым языком?

– Хемоинформатика – это относительно новая область знаний, которая позволяет проанализировать химику имеющиеся в наличии экспериментальные данные и на этой основе создать предсказательные модели, которые позволяют прогнозировать свойства новых ещё не синтезированных соединений или материалов. Одно из главных применений хемоинформатики на сегодняшний день – это разработка новых лекарственных соединений.

– Как это работает? Это компьютер, который проводит отбор большой "химической" базы данных?

– Методы хемоинформатики, по своей концептуальной сути, в какой-то степени описаны в книгах про Шерлока Холмса. Это дедуктивный метод для нахождения логической связи между многими факторами. В хемоинформатике мы переходим от набора измерений к их логическому обобщению, которое позволяет сформулировать правила или вывести математические уравнения, связывающие структуру молекул с их свойствами. Хемоинформатика использует специально разработанный математический аппарат, который позволяет анализировать миллионы данных, то, что человек сам сделать не может. Этот подход позволяет из миллионов молекул выбрать несколько десятков или сотен потенциально полезных соединений, которые можно предложить химикам-экспериментаторам для детальных исследований.

– Это используется в фармацевтике или пока это только разработки?

– На сегодняшний день в мире нет ни одного нового, то есть разработанного в последние 20 лет, лекарства, которое было бы доведено до аптеки без использования хемоинформатики. Дело в том, что без этой технологии пришлось бы проводить колоссальное количество разнообразных биологических тестов с миллионами молекул. Речь идет как об исследовании сродства молекул к определенным белкам, так и определении таких важных параметров как всасывание препарата, его метаболизм и токсичность. Когда речь идёт о миллионах соединений, то совершенно невозможно испытать все соединения экспериментально. Именно поэтому все большие фармацевтические фирмы имеют лаборатории хемоинформатики.

В качестве примера удачного применения хемоинформатики, хотелось бы упомянуть феноменальное открытие профессора университета British Columbia в Ванкувере Артёма Черкасова. Используя методы хемоинформатики, он предложил совершенно новый механизм лечения рака простаты и нашел новые соединения, которые в опытах на животных дали совершенно потрясающие результаты. Лечение этой болезни является очень важной и сложной проблемой. Эта разработка, вероятно, позволит ее решить медикаментозно. На самой ранней стадии первые результаты принесли разработчикам 140 миллионов долларов. Предстоит ещё 6–7 лет клинических испытаний, но я думаю, что спустя короткое время мы получим новое лекарство, которое спасёт жизни миллионам людей.

– Пока получилось продвинуться только в изобретении лекарства от рака?

– Хемоинформатика активно используется при разработке очень многих препаратов. К примеру, только у меня в лаборатории ведутся три разных проекта. Один посвящен разработке антитроботиков, т. е. препаратов, препятствующих образованию тромбов. Нами было предложено химическое соединение на полтора порядка эффективнее, чем существующие коммерческие аналоги. Ведутся разработки антивирусных и антималлярийных препаратов и уже есть соединения, которые мы можем предложить медицинским химикам для дальнейших исследований. Хочу повториться, сейчас все разработки новых лекарственных препаратов на Западе проводятся с использованием методов хемоинформатики.

– Речь идёт только об изобретении новых лекарств или ещё об усовершенствовании старых?

Перепрофилирование лекарств – это очень актуальная тематика в современной медицинской химии. Дело в том, что химически модифицированное "старое" лекарство легче запустить на рынок, чем принципиально новый продукт. Но есть, конечно, очень много работ по созданию принципиально новых молекул. Здесь без хемоинформатики просто нельзя обойтись.

В мире сейчас известно порядка 150 миллионов уже синтезированных химических соединений. Каждый год их количество увеличивается, и возможно среди них уже есть соединения, обладающих потрясающими свойствами. Вопрос в том, как найти эту иголку в стогу сена. А если этой иголки в стоге нет, как её создать? Хемоинформатика разрабатывает математические модели, помогающие создать новые молекулы, как архитектор по своим чертежам строит дом.

Я часто слышал мнения коллег о том, что компьютер – это только инструмент и он не заменит знания и умения обычного химика. Действительность показала, что это не так. Недавно опубликованы работы, демонстрирующие, как компьютер с помощью специальных программ определяет стратегию синтеза молекул с заданными свойствами без всякого участия человека.

– В чём будущее этих технологий?

– Применение методов хемоинформатики позволяет осуществить значительную экономию материальных и человеческих ресурсов, а также значительно уменьшить количества испытаний на животных. Применяемые методы позволяют ускорить рациональный поиск необходимых соединений, подчеркну, рациональный, а не случайный. Стоимость разработки лекарственного вещества от пробирки до аптеки составляет, по разным оценкам, около трех миллиардов долларов. Методы хемоинформатики позволят сэкономить, по крайней мере, треть. Это огромные суммы и именно поэтому все крупные фармацевтические фирмы ведут работы по разработке и использованию методов хемоинформатики.

– Специалисты в хемоинформатике – это химики со знанием информатики, или информатики со знанием химии?

– По моему опыту, фирмы предпочитают брать химиков, которых можно обучить информатике, а не наоборот. Химия – это достаточно сложный предмет.

– Хемоинформатика используется только за границей или в России тоже?

– Я работаю в Страсбургском университете, поэтому мне сложно сказать о ситуации в России. Мне удалось посетить фирму "Biocad" в Санкт-Петербурге, где начали использовать этот подход. Мне кажется, что эпоха активного применения методов моделирования в химии, материаловедении и фармацевтике наступает и в России, и в других развитых странах. Мне хочется подчеркнуть, как важно готовить специалистов в области хемоинформатики.

В Страсбургском Университете мы создали магистерскую программу, которая одно время была единственной в Европе. А в 2012 году, благодаря нашему сотрудничеству с Казанским федеральным университетом, там тоже такая образовательная программа была создана. В этом году, открыта магистратура по хемоинформатике в университете ИТМО в Санкт-Петербурге. То есть в России уже сделаны существенные шаги в нужном направлении. Теперь важно, чтобы промышленность стала более наукоёмкой, чтобы эффективно использовать молодых специалистов в нашей области.

– Если в России ведутся такие разработки, можно ли сказать, что это снимет Россию с импортной иглы?

– Россия – это страна с колоссальным потенциалом. Мне не хотелось бы говорить о санкциях, кризисе – это всё переходящее и не может длиться долго. Россия, с моей точки зрения, обязательно интегрируется в мировую систему, она займёт свою область и внесёт свой вклад, как и другие развитые страны. Россия – это сильный и достойный партнёр во многих международных проектах.

Напомним, ХХ Менделеевский съезд проходил в Екатеринбурге с 26 по 30 сентября. Это крупнейший научный форум в области прикладной химии, в нём принимали участие более 2,5 тысячи учёных из 38 стран, около 300 из них – иностранцы: профессора из Швейцарии, Германии, Франции, США.