Детали мира

Детали мираМожет ли прочитанная книга повлиять на судьбу? Конечно, и тому много примеров. Эта история тоже началась с книги «Введение в структуру бел­ка» Карла Брендена и Джона Туза . Учебник с прекрасными иллюстрациями, показывающими основы структуры и стро­ения различных белков, произвел сильное впечатление на Ивана Константинова, в то время студента биофака МГУ им. М.В.Ломоносова. Иллюстрации были восхитительны, тогда в России (а это был 2003 год) ничего подобного еще не делали.

Жизнь шла своим чередом: окончание университета, два года работы в Институте молекулярной генетики РАН, а параллельно — проекты в области графического дизайна, 3D, интерактив­ных и веб-технологий. И каждый день этого короткого периода первичного накопления капитала — профессионального и жизненного опыта — лишь раздувал огонь желания заниматься научной графикой на самом высоком технологическом уровне. Не хватало лишь идеи, красивой и вызывающей. К 2007 году она сложилась и обрела очертания проекта «Парка вирусов». Удалось быстро собрать команду единомышленников, молодых биоло­гов, химиков, структурщиков, дизайнеров, и учредить студию научной графики, анимации и дизайна «Visual Science». За проект «Парк вирусов» взялись в 2009-м.

Три года назад никто в мире и не помышлял браться за та­кую невероятно сложную задачу, как создание молекулярной модели вируса. Современные методы позволяют получать достоверные модели небольших молекул. Но они неприме­нимы для крупных надмолекулярных комплексов, не говоря уже о большей части вирусов. Однако все случилось так, как говорил Эйнштейн: все знали, что этого сделать нельзя, один не знал — и сделал. Уже в 2010-м изображение модели ВИЧ, созданное в студии Ивана Константинова, было признано луч­шей научной иллюстрацией года, по версии журнала «Science» и Национального научного фонда США (NSF), и в этом же году опубликовано на обложке спецвыпуска «Nature Medicine», в галерее журнала «Cell», приуроченной к тридцатой годовщи­не открытия ВИЧ, и на страницах СМИ, таких, как «Нью-Йорк таймс». Сегодня оно уже вошло во многие авторитетные учеб­ники и в ведущий мировой справочник «Вакцины», который журнал «Ланцет» называет Библией вакцинологов.

Вирус иммунодефицита стал первым обитателем «Парка ви­русов» компании «Visual Science». Хотя начинали исследователи с вируса свиного гриппа. «Тогда, в 2008 году, мы еще не пони­мали, как подступиться, да и техника не позволяла нам работать с огромными массивами информации. Пришлось придумывать и создавать специальные алгоритмы, на что ушел не один год», — вспоминает И.Н.Константинов. Как и положено, первый блин вышел комом. Хотя — с чем сравнивать. Никто в мире до сих пор не может сделать и такого. Но на фоне моделей ВИЧ и Эбола, вскоре появившихся на свет, он действительно простоват и не­достаточно детализирован». Однако эта проба пера вооружила исследователей полезным опытом и новыми инструментами моделирования. Теперь уже можно было браться за ВИЧ.

«Когда мы работали над моделью ВИЧ, казалось, что задачи сложнее не придумать, — рассказывает И.Н.Константинов.

Сотни тысяч молекул, хитроумная структура вирусной ча­стицы. С такой сценой не справляются даже самые мощные компьютеры. Но когда мы взялись за вирус Эбола, который в десять — двенадцать раз больше ВИЧ, нам стало казаться, что ВИЧ — это очень просто».

Нет, это совсем не просто. Работа над моделью начинается с поиска и анализа информации. Научный отдел компании, в который входят биологи, все кандидаты наук, анализирует сотни статей в ведущих научных журналах с результатами исследова­ний, проливающих свет на структуру той или иной части вируса. Из этих нескольких сотен отбирают несколько десятков самых значимых и авторитетных публикаций, где обобщены послед­ние данные. На их основе отдел готовит обстоятельный обзор, который сам по себе — добротная научная статья.

Научную часть проекта «Парк вирусов» курирует кандидат биологических наук Ю.Ф.Стефанов, работающий в компании почти с самого ее основания. Его задача — найти белые пятна и спорные моменты в собранных данных и постараться их прояснить. А прояснить можно только в диалоге с ведущими исследователями в этой области. Поэтому компания опреде­ляет ключевых экспертов, или консультантов, связывается с ними, и начинается обсуждение.

Интересно, что на призыв к сотрудничеству откликается большинство потенциальных консультантов из ведущих лабо­раторий мира. Почему? Ведь все они, исследователи с гром­кими именами, и без того загружены работой. «Я рад этому обстоятельству, — признается И.Н.Константинов. — Каждый раз мы посылаем потенциальному эксперту очень честное и простое письмо, рассказываем о нашем инициативном и некоммерческом проекте — создавать предельно точные, научно достоверные, красивые и аккуратные модели вирусов человека. Наверное, наша честность и энтузиазм передаются через эти письма, и в большинстве случаев мы получаем ответ. Кроме того, созданные нами модели говорят сами за себя, и нас уже знают в мире».

Научный обзор изучает руководитель проекта, тоже биолог В компании его называют «интегратором», потому что он раз­бирается во всех этапах создания модели — научной части, молекулярном и ЭЭ-моделировании, дизайне и визуализации. После того как многие спорные моменты и узкие места проясне­ны с консультантами, интегратор составляет план, по которому начинают работать отделы молекулярного и ЭЭ-моделирования. «Мы уже понимаем, какие белки присутствуют в конечной струк­туре, какие из них имеют полные структуры, какие — нет, какие комплексы надо создавать, — рассказывает И.Н.Константинов. — Например, поверхностные белки вируса. У этих молекул есть трансмембранные участки, подвижные петли, которые плохо кристаллизуются, поэтому полных данных об их структуре нет. При рентгеноструктурном исследовании эти участки отрезают и изучают основную, неподвижную часть: из нее можно получить регулярный кристалл и установить его структуру. Все недоста­ющие элементы, включая гликозилирование поверхностных белков, мы воссоздаем, используя традиционные методы мо­лекулярного моделирования и динамики».

В отделе молекулярного моделирования создают все компоненты структуры и комплексы, которые должны быть в конечной модели. Следующий этап — ЭЭ-моделирование. Отдел получает точные ЭЭ-координаты каждого атома во всех молекулах, входящих в состав вируса. Если у атома водорода радиус 0,53 ангстрема, то и в модели он будет точно такой же. Здесь фрагменты собирают в единое целое и получают пол­ную модель вириона, которая отправляется в отдел дизайна и визуализации. «Мы не рисуем, а моделируем, то есть точно воспроизводим природную структуру по данным исследова­ний, — объясняет И.Н.Константинов. — Дизайнер не может привнести неточность. Точность описания молекулярной поверхности известна и постоянна. Если вы видите белок на поверхности или липид в мембране, то будьте уверены, что мы точно знаем его пространственную структуру».

Конечный результат моделирования — это так называемая ЭЭ-сцена, или несколько гигабайтов файлов. Это сцена с математическим описанием всех элементов вируса в виде полигонов — элементарных единиц поверхности. Всего лишь один липид в поверхностной мембране вируса (на рисунке одна тонкая серая черточка) содержит до 20 тысяч полигонов! Такая детализация, принятая в компании, необходима, чтобы показать атомную структуру этой модели.

На небольшой иллюстрации ВИЧ мы, разумеется, не можем рассмотреть каждый атом, эти детали слишком малы. «В большинство случаев мы не показываем атомную структуру, чтобы не зашумлять изображение, да и для многих целей это просто не нужно, — поясняет И.Н.Константинов. — Но такая модель позволяет получить изображение ВИЧ размером 50 тысяч пикселей на 50 тысяч пикселей, достаточным для печа­ти иллюстрации площадью 25 квадратных метров с качеством обложки глянцевого журнала. И вот тогда мы увидим все, что там есть, вплоть до каждого атома». Ни один современный ме­тод исследования не позволяет рассмотреть вирион, включая его внутреннее устройство, с такой степенью детализации.

Вообще, нет предела совершенствованию модели любого вируса. Наши знания неполны, и новые данные о фрагментах вирусов появляются каждый год, поэтому в готовую модель приходится вносить небольшие изменения.

И.Н.Константинова часто спрашивают: неужели ВИЧ или Эбола такие же красивые и яркие, как показано на картинках, и окрашены в такие же цвета? Нет, конечно, эти вирионы вряд ли вообще окрашены, поскольку не содержат хроматофоров. Но цвета, которые использованы в моделях, имеют смысл. «Оттенками серого во всех моделях “Парка вирусов” мы обо­значаем компоненты, которые вирус захватывает из клетки хозяина, то есть не кодируются его геномом, — поясняет И.Н.Константинов. — На модели ВИЧ видно, что это — липиды поверхностной мембраны, некоторые белки внутри вируса, некоторые — на его поверхности, такие, как HLA-DR1, ICAM-1 или CD55. Компоненты, которые кодируются геномом вируса, окрашены оттенками цвета, принятого для этого вируса. Для ВИЧ — оттенки оранжевого, для Эбола — розового. У каждого вируса собственная цветовая гамма».

Модели этих смертоносных вирусов поразительно красивы. Видно, что дизайнеры компании не жалеют времени на работу с цветом, а при необходимости консультируются с художни­ками и скульпторами (в прошлом химиками и биологами), дизайнерами, то есть с людьми, обладающими тонким худо­жественным вкусом. И делают это совершенно осознанно. Сегодня научной и образовательной графике очень трудно конкурировать с яркой рекламой, блокбастерами и компью­терными играми, которые создают лучшие специалисты в области визуальных эффектов. Молодым людям сложно сде­лать выбор в пользу чего-то невзрачного, хотя и интересного, когда со всех сторон ему предлагают яркое. Компании «Visual Science» удается совмещать грамотное, достоверное содер­жание с современными средствами подачи. Вот почему эти модели буквально завораживают, их хочется рассматривать.

«Если на каком-то начальном этапе молодым людям, школь­никам и студентам, показать, как наука интересна и красива, то можно зажечь в них внутренний огонь, пробудить интерес к предмету, — рассказывает И.Н.Константинов. — На основе таких моделей мы можем делать не только научные иллюстра­ции для статей и учебников или плакаты с высоким разреше­нием. Мы создаем анимационные ролики, интерактивные образовательные веб-плагины, приложения для мобильных платформ iOS и Android. Тут огромный простор для фантазии. На мой взгляд, образовательное и просветительское значе­ние таких моделей чрезвычайно велико».

Трудно с этим не согласиться. Хотя есть преподаватели, кото­рые считают, что к иллюстрациям нужно относиться аккуратно и лучше особо на них не полагаться. Скорее всего, причина такого осторожного отношения — это опыт работы с иллюстрациями, созданными дизайнерами, которые не имеют профильного образования. Биохимия и молекулярная биология — это очень сложные области. Неспециалистам трудно в них разобраться, поэтому они не могут грамотно, достоверно и понятно изобра­зить, а значит — объяснить то или иное явление или объект».

Встречается и другая точка зрения. Ученый должен уметь проникать внутренним взглядом в суть вещей, привлекая на помощь все свое воображение. А модели, предлагаемые на стадии обучения, могут его ограничить, запомниться как непогрешимый образ. «Мысль изреченная есть ложь». Но именно граничные условия, которые возникают при создании моделей, как ни странно, оказывают бесценную услугу науке.

Представьте, что вы собрали огромный пазл, в котором не хватает нескольких деталей. Вместо них в собранной картинке зияют пустоты. Но по форме этого пустого места вы точно мо­жете сказать, какой должна быть конфигурация недостающего фрагмента. Нечто похожее происходит и при моделировании вирусной частицы. Команда И.Н.Константинова часто сталки­вается с неполными данными и белыми пятнами. По поводу структуры того или иного белого пятна есть несколько про­тиворечивых гипотез, обсуждаемых в научном сообществе. Какая из них наиболее близка к истине? «Часто обсуждение с внешними экспертами не дает ответа на этот вопрос, они не могут выбрать предпочтительный вариант, ссылаясь на нехватку данных, — рассказывает И.Н.Константинов. — Но мы не можем не показать эти участки в нашей модели. И здесь на помощь приходит сам процесс моделирования. Когда с высокой точностью смоделированы все известные фрагменты вируса, возникают некоторые сдерживающие, ограничивающие условия, которые помогают в выборе более вероятной гипотезы для структуры неизвестных участков».

Богатое воображение и образное мышление необходимы ис­следователю. Для многих не составляет труда увидеть плоскую картинку в объеме или по описанию представить любой объект. Однако чтобы мысленно воссоздать образ вируса со всеми его деталями, нужно провернуть в голове огромный массив инфор­мации, который трудно собрать воедино. И не всегда исследо­ватели и студенты способны выполнить такую работу мысленно.

Нет, от таких моделей, безусловно, есть польза. Хорошая иллюстрация помогает структурировать знания, восприни­мать сложную пространственную информацию.

А сколько радости могут доставить эти модели обычным людям, чьи профессии далеки от науки! Ведь они показывают, как удивительно красиво и сложно устроен наш мир даже в самых мельчайших его деталях. Показывают, какой путь при­шлось пройти науке, чтобы понять, как устроена вирусная частица, ее оболочка, какие молекулы находятся внутри и на ее поверхности, какова внутренняя структура.

Пять лет назад наш мир пополнился симпатичной и полезной деталью — студией «Visual Science», которая создает предельно точные и научно обоснованные модели других важнейших дета­лей мира — молекул, вирусов, анатомических структур, химиче­ских процессов, технологий, всего, что неразрывно связано с со­временной наукой и технологиями. Сегодня у компании отличная репутация, деятельность ее разрастается, работы очень много. Но у сотрудников по-прежнему в глазах светится азарт, потому что каждый день они занимаются тем, о чем мечтали. Один из самых любимых и красивых проектов «Парк вирусов» еще не завершен. Пока в нем немного обитателей. Но в ближайшие два года здесь пропишутся не менее десятка самых важных и рас­пространенных вирусов человека. Будут созданы их модели с беспрецедентным уровнем детализации и точности. Он займут достойное место в научных журналах, учебниках и справочниках и обязательно вдохновят молодых людей на занятия наукой, на карьеру исследователя. От популяризации науки столь высокого уровня общество только выиграет.

Л.Стрельникова

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>