Чем в изучении живого может помочь математика? Какие мощности требуются, чтобы обеспечить современные исследования? Что такое нанобиочип? Юные журналисты центра «Радуга» продолжают серию виртуальных экскурсий по учреждениям Пущина. Чтобы найти ответы на эти и многие другие вопросы, они отправились в Институт математических проблем биологии.
По информации пресс-службы Министерства инвестиций и инноваций Московской области, сотрудница ИМПБ Н.В. Иванова в 2018 году получила премию губернатора Московской области за достижения в сфере науки и инноваций.
Красивое синее здание... Находится в самом безопасном месте в нашем городе – около полиции. Несмотря на то, что открыто оно в 2016 году, до сих пор далеко не все знают, чем занимаются сотрудники находящегося здесь института. Интересно, а что же тут исследуют?
Нейронные сети, исследование мозга, электропроводимость ДНК – все это изучается в, как ни странно, математическом институте. Институте математических проблем биологии. Здесь с помощью методов самой точной науки изучают строение живых организмов. Это компьютерное моделирование биологических систем и объектов.
– Сами мы очень сложные, и молекулы, из которых мы состоим, очень сложные. А нам надо моделировать не только отдельные биологические молекулы, но и более сложные системы, вплоть до целых клеток, – рассказывает Виктор Лахно, научный руководитель ИМПБ РАН.
Инициатива создания института принадлежала Мстиславу Всеволодовичу Келдышу, президенту Академии наук СССР, открыто учреждение было в 1972 году.
– Биология на 95% наука экспериментальная. Она бурно развивалась в 20 веке, а 21 вообще объявлен веком биологии. И во второй половине прошлого столетия стало очевидно, что математика здесь необходима. Когда были первые расшифровки структур белков, когда появилась техника, позволявшая экспериментально расшифровывать структуры сложных биомолекул, вот тогда и остро встала задача о том, чтобы использовать, без этого было просто невозможно, математические методы, – говорит об истории института Виктор Лахно.
Сам Виктор Дмитриевич приехал в Пущино в 1978 году, когда закончил аспирантуру МФТИ и защитил кандидатскую диссертацию. В этот институт его пригласил решать интересную математическую задачу профессор Молчанов, директор НИВЦа - Научно-исследовательского вычислительного центра (так тогда называлось учреждение).
– Самая мощная машина здесь была «Мир» – она делала 100 операций в секунду, сейчас всё это покажется, конечно, смешным. Вот такой колоссальный прогресс произошел, – улыбается Виктор Лахно.
Сейчас у всех научных сотрудников, а их немного, около 50, есть персональный компьютер, а то и несколько. Существует и небольшой вспомогательный вычислительный кластер. Основные расчеты ведутся в удаленном режиме в крупных центрах, так как Пущино с Москвой связаны мощным каналом. Этому помогает объединение с Институтом прикладной математики имени Келдыша.
– У них очень мощные компьютеры, мы считаем на удаленном режиме на этих вычислительных ресурсах. Кроме того, мы считаем на самом мощном компьютере в России, он называется «Ломоносов», его мощность, по-моему, пять петафлопс, – уточняет Виктор Дмитриевич.
Петафлопс – 10 в пятнадцатой степени операций с плавающей запятой в секунду. Вспомним первый упомянутый здесь мощный компьютер «Мир», он делал 100 операций в секунду.
Если говорить о настоящем дне, то в институте, к примеру, есть лаборатория биоинформатики, которая решает важную для каждого человека задачу. Сейчас учеными многих стран расшифрован огромный массив данных геномов. Без специальных устройств обработать эти миллиарды цифр невозможно.
– А с помощью компьютера они обрабатываются по определенным очень сложным программам, которые создаются, например, в нашем институте, – объясняет Виктор Дмитриевич. – Ищутся определенные закономерности. По ним можно определить, есть ли, допустим, у данного человека, если смотрится его геном, какое-то заболевание. Если после наших расчетов вам скажут, что, если вы не сделаете такую-то операцию, то заболеете, смысл того, зачем мы это изучаем, становится очень даже понятным.
Также в институте изучают структуру и динамику сложных биологических молекул, есть направление – нанобиоэлектроника. Это конструирование электронных систем из биомолекул – биокомпьютинг. Возможно, они заменят традиционную кремниевую технологию нынешних гаджетов.
Есть лаборатория нейронных сетей, в основе исследований которой лежит изучение самого сложного и загадочного органа человека – мозга. Актуальное направление – магнитная энцефалография. Она позволяет выявить источник болезни, так как измеряет магнитное поле человека, а не берет данные с поверхности, как привычная энцефалография.
В этой же лаборатории изучается не менее интересная тема, как нейрокомпьютинг. Здесь моделируются не искусственные нейронные сети, а естественные – те, что работают в нашем мозге.
А еще в этом институте изучают не менее важную тему для человека – ДНК. Всем известно, что данная молекула хранит генетическую информацию, но совсем недавно ученые выяснили, что она может проводить электрический ток.
– Ведутся очень интенсивные исследования переносов зарядов ДНК, они оказались очень противоречивыми, – говорит научный руководитель ИМПБ. – Когда мы исследуем металлы, всё просто – течёт ток, померил проводимость. А ДНК в разных условиях может проявлять металлическую проводимость, быть изолятором и работать как полупроводник. И даже сверхпроводимость обнаружена в ДНК при очень низких температурах. И понять, что же там происходит на самом деле, в каких условиях что реализуется…
Понять это можно, только написав математические модели переноса такого заряда. Данную задачу изучают в лаборатории квантово-механических систем. Делается это с помощью упрощающих предположений. Один из сотрудников – Надежда Фиалко. Она создает простую модель – своеобразный прототип – переноса заряда в ДНК.
– Были сделаны эксперименты, что ДНК с одной стороны донор-заряд, а с другой акцептор. И с удлинением цепочки ДНК – мостика, по которому заряд переходит, время, за которое он это делает, растет нелинейно. Оно растет очень хитрым образом, – рассказывает Надежда Фиалко, старший научный сотрудник лаборатории квантово-механических систем. – Были реальные эксперименты, и у нас при моделировании получилось что-то похожее на эксперимент, что, в общем, довольно приятно для нас. Потому что модель, еще раз повторяю, простая, а совпадения, нам кажется, есть.
Понятно, что до стадии производства продукта на основе этой технологии пройдет еще немало времени – не всё изучено, но некоторые теоретические сведения уже есть.
– Мы как раз надеемся, что то, над чем мы работаем, потом позволит создать «волшебный» проводочек, очень тоненький, меньше, чем те, что сейчас используются в электронике, – поясняет Надежда Фиалко. – На основе как раз ДНК, у которой толщина 20 ангстрем. Мы надеемся, что он будет использоваться в нанобиоэлектронике.
На основе этой технологии придуман электронный нанобиочип, который в дальнейшем в разы увеличит скорость диагностики, к примеру, туберкулеза, в том числе на ранних стадиях. В нём фрагменты ДНК болезней станут «искать» себе пару, чтобы стать двойной спиралью и быть выявленными с помощью тока. Это будет занимать несколько секунд и увеличит продуктивность работы врачей.
– Он мог бы определять огромное число болезней человека. Это был бы прорыв как переход от оптического микроскопа к электронному, – считает Виктор Лахно.
Технологии, которые сейчас развиваются, дают все больший и больший объем данных, подчеркивает Виктор Лахно. Совершенствуются математические методы, программы и устройства. Прогресс обоюдный. Развитие биологии ставит перед исследователями новые задачи, а развитие технологий дает все больше возможностей их решать.
– Если б тому мне, который был 10 лет назад, показали, что сейчас пишу, я оказался бы просто потрясен, потому что это никакого отношения не имеет к тому, чем я тогда занимался.
Мир быстро меняется, ученые меняются вместе с ним, отвечая на все новые потребности, порой занимаясь совершенно неожиданными даже для себя вещами. Небольшой коллектив института решает большие задачи. Ведь важно не количество сотрудников, а качество их работы. Задача каждого – внести свой вклад, свою мысль, свой кусочек пазла в общую картину. Все с детства знают слово «невозможно». И только тот, кто может заменить его словами «долго», «сложно» или «пока неизвестно», совершит настоящее открытие.
Павел Бондарь, Татьяна Клименко, Анфиса Курочкина, Леся Майорова