Вісник НАН України. 2018. № 6. С.42-48
https://doi.org/10.15407/visn2018.06.043

ЄСИЛЕВСЬКИЙ Семен Олександрович —
доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник відділу фізики біологічних систем Інституту фізики НАН України
https://orcid.org/0000-0002-6748-8931

МОЛЕКУЛЯРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ БІОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ: СТАН ТА ПЕРСПЕКТИВИ
Стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 4 квітня 2018 року

У доповіді проаналізовано стан розвитку у світі такого важливого напряму сучасної біофізики, як молекулярне моделювання біологічних систем, зокрема біологічних макромолекул та клітинних мембран, розкрито можливості цього методу для використання як у фундаментальних дослідженнях, так і у прикладних галузях, насамперед у медицині, фармакології та біомедичних дослідженнях. Обговорено поточний стан і перспективи розвитку методів молекулярного моделювання біологічних систем в Україні.

Шановні члени Президії!

Шановні колеги!

За означенням, молекулярне моделювання біологічних систем — це опис біологічних об’єктів та явищ на молекулярному рівні за допомогою фізико-математичних моделей і чисельних алгоритмів, які, як правило, потребують використання потужних комп’ютерів. Ця мультидисциплінарна галузь науки знаходиться на перетині молекулярної і статистичної фізики, біофізики, молекулярної біології, біохімії та комп’ютерних наук і має фундаментальне значення для розвитку молекулярної біології і біофізики, а також пряме практичне використання у фармакології та біомедичних дослідженнях.

Об’єктами дослідження молекулярного моделювання біологічних систем є біологічні молекули (білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди), їх надмолекулярні агрегати (біологічні мембрани, білкові комплекси), а також природні та штучні наноструктури, що містять біологічні молекули.

Слід зазначити, що біологічні системи на молекулярному рівні мають свою специфіку. По-перше, вони поєднують ознаки твердих тіл, рідин, колоїдів, полімерів, рідких кристалів, не зводячись при цьому до жодного з цих типів речовин. По-друге, вони мають надзвичайно складну просторову будову і складну динамічну поведінку в безпрецедентно широкому для молекул такого розміру діапазоні часів — від фемтосекунд до годин. По-третє, поведінка таких систем характеризується дуже високою чутливістю до мінімальних змін на атомарному рівні, зокрема, заміна лише кількох атомів може призводити до мутації та критично впливати на здоров’я організму в цілому. З огляду на це, для дослідження біологічних систем на молекулярному рівні необхідне поєднання кількох методів, які працюють на різних часових та просторових масштабах. Одним із таких методів є молекулярне комп’ютерне моделювання.

Напрям молекулярного комп’ютерного моделювання біологічних систем розвивається вже понад 30 років і є на сьогодні досить розгалуженою галуззю науки. З усього різноманіття методів, які використовують у цій галузі, можна виділити три основні різновиди: структурне моделювання, динамічне моделювання і моделювання міжмолекулярних взаємодій.

Структурне моделювання — це визначення просторової структури молекул різних розмірів — як малих молекул, так і макромолекул. Завданнями структурного моделювання є, зокрема, розрахунок геометрії молекул, їх електронної структури та хімічних реакцій (переважно методами квантової хімії), побудова структурних моделей для потреб кристалографії, ЯМР та кріоелектронної мікроскопії, передбачення структури і гомологічне моделювання білків та нуклеїнових кислот.

Динамічне моделювання — це моделювання рухів біологічних молекул у динаміці. У динамічному моделюванні використовують найчастіше методи квантової динаміки, атомістичної класичної молекулярної динаміки, грубозернистої класичної молекулярної динаміки, блочної та доменної динаміки білків, континуальної динаміки супрамолекулярних комплексів.

До моделювання міжмолекулярних взаємодій належать методи молекулярного докінгу (жорсткий, гнучкий, по конформаційному ансамблю тощо) та віртуального скринінгу.

Що стосується молекулярної динаміки, то часові та просторові масштаби, доступні цьому методу, майже ідеально відповідають завданням з дослідження біологічних молекул. Зокрема, класична молекулярна динаміка, що ґрунтується на класичних рівняннях Ньютона, оперує системами, які мають розміри до сотень нанометрів, на часових масштабах порядку 1 мкс. Відповідно, такі системи можуть містити близько мільйона атомів. Грубозерниста молекулярна динаміка розглядає системи, в яких кілька атомів об’єднуються в одну частинку. Використання цього методу дозволяє працювати з системами розміром порядку мікрометрів на часових масштабах у сотні мікросекунд, які містять до 108 атомів. 

Повний текст