Ученые впервые составили полные компьютерные "чертежи" вируса

Полную модель структуры вируса табачной мозаики составили ученые из Университета Иллинойса, США. Так, примитивнейшая жизненная форма "оцифрована" учеными и может изучаться далее с помощью компьютерного моделирования.

Детальным моделированием на компьютере автомобиля или самолета давно уже никого не удивишь. Однако о том, чтобы на атомном уровне смоделировать живое существо, до последнего времени можно было прочитать только в научно-фантастических рассказах. И вот фантастика становится реальностью. Группа биоинформатиков из Университета штата Иллинойс в Урбане-Шампейне и Университета штата Калифорния в Ирвине впервые в мире построила динамическую модель целого живого организма — вируса, говорится в пресс-релизе.

Результат работы ученых сходен с проектированием инженерами, например, самолета Boeing, только в обратном порядке. Биологи сначала досконально изучили вирус, а лишь затем смогли составить его модель с точностью до атома в специальных программах молекулярного моделирования. Их исследование можно сравнить с последовательным разбиранием дома, начиная с крыши и заканчивая фундаментом, при этом каждый кирпич заносился в план, который потом оцифровали так, что получилась трехмерная модель, полностью, до кирпичика, соответствующая реальному строению.  

Вирусы являются самыми простыми живыми существами. Многие биологи даже не признают их организмами и называют органическими частицами. Размножаться вирусы могут, только проникнув в живую клетку и используя ее ресурсы и механизмы. Для моделирования был выбран самый один из самых простых известных вирусов — вирус-сателлит табачной мозаики. Его размер составляет всего около 20 нм. Свое название он получил за то, что не может даже самостоятельно взять под контроль клетку и размножается только в тех клетках, которые уже атакованы вирусом табачной мозаики, который часто поражает сельскохозяйственные культуры, в особенности томаты.

Однако разобрать вирус на части не так-то просто. Для изучения его внутренней белковой структуры ученые использовали современные методы кристаллографии. 

Рис. 1. Вирус табачной мозаики (фотография)

Дальнейшие исследования структуры вируса и его физических характеристик помогут ученым глубже изучить его особенности - механизм инфицирования, развития и его размножения. Так, например, эти знания помогут вирусологам в медицине, при борьбе с распространенными вирусными заболеваниями. Также генные инженеры смогут вывести растения, устойчивые к воздействию этого вируса, что принесет огромный вклад в агротехнику и сельское хозяйство.

Но наиболее ценным компьютерный чертеж оказался для инженеров-нанотехнологов, создающих и проектирующих молекулярные машины. Оказывается, на основе чертежа капсида вируса, содержащего виральную РНК, можно будет создавать различные полезные молекулярные машины. Также не исключено, что подобные машины могут быть самореплицирующимися, то есть смогут создавать копии друг друга.

Рис. 2. Компьютерная модель вируса табачной мозаики 

И не следует забывать, что это первая, беспрецедентная в истории человечества возможность целиком смоделировать жизнь в цифровом виде. На основе цифрового организма ученые смогут не только изучать его свойства, но и создавать в виртуальном виде жизненные формы, не существующие в природе. Возможно, с развитием компьютерной техники появится возможность полностью смоделировать, например, высших животных, млекопитающих и даже человека.

Вирус-сателлит состоит из сферической молекулы РНК, окруженной белковой оболочкой. Чтобы обеспечить реалистичность модели, виртуальный вирус поместили в крошечный куб, состоящий из соленой воды. Вся модель в целом содержала более миллиона атомов. Их взаимное расположение и движение рассчитывалось с учетом сил межатомного взаимодействия, как это обычно делается при моделировании макромолекул.

Пока модель не позволяет проследить за поведением вируса в клетке, поскольку для этого понадобилось бы смоделировать внутриклеточную среду. Однако расчет, выполненный в американском Национальном центре суперкомпьютерных приложений (NCSA), позволил в течение короткого отрезка модельного времени следить за динамикой вируса, когда он представлен самому себе. Кроме простых моделей-изображений, ученые получили также данные о динамическом поведении вируса. В результате были уточнены и механические свойства, и внутреннее строение вирусной частицы.

Расчеты на суперкомпьютере были проведены в лаборатории биофизики при Институте развитых наук и технологий.

Несмотря на то, что в новой модели действительно впервые в мире на компьютере целиком смоделировано живое существо, это не самый крупный расчет подобного рода. Осенью прошлого года в Лос-Аламосской национальной лаборатории была создана динамическая модель работы рибосомы, синтезирующей молекулу белка, в которой модели учитывалось движение более 2,5 млн. атомов.

Источник:

1. EurekAlert: Researchers simulate complete structure of virus -- on a computer