Метод грубой силы.Биоскрининг: история в параллелях с IT и примеры последних разработок

Метод грубой силы

Восьмидесятые-девяностые года прошлого века справедливо полагают эпохой бума вычислительных технологий, изменившей ход жизни человечества на всей планете. Начало нового тысячелетия прочно застолбили за собой биотехнологии. О них много пишут в прессе, но совсем не похоже, что в ближайшем будущем они окажутся такими же каждодневными и надоедливыми. Тем не менее, в последнее время появляется все больше предпосылок, что одна из них — биологический скрининг — может стать настоящей бомбой, причем не менее мощной, чем первая собранная в гараже персоналка. Если посмотреть на историю развития биоскрининга, то удержаться от прямых параллелей с IT-отраслью просто невозможно.

Биоскрининг — это набор одинаковых тестов, которые проводят над разного рода биологическими объектами (пациентами, животными, образцами крови или тканей), с целью выявить среди них несколько особенных экземпляров, обладающих выделяющимися свойствами. К примеру, найти людей, зараженных той или иной болезнью или выделить химическое вещество, которое способно убивать определенные бактерии. Своеобразное сито, отделяющее зерна от плевел. То есть метод перебора, грубой силы, особо необходимый в тот момент, когда метод аналитического рассуждения («пристального взгляда») оказывается беспомощным. У этого метода давняя история в биологии. Именно с его помощью в свое время Флеминг обнаружил бактерицидное действие пенициллина в далеком 1928 году. Но его современное, второе рождение произошло только тогда, когда количество смогло перейти в качество, то есть когда изменились масштаб и скорость его проведения.

Подобное уже происходило в области вычислительных технологий. Лучший шахматный гроссмейстер человечества был повержен компьютером не за один раз. Существовало несколько версий компьютерных программ, играющих в шахматы, улучшающихся из года в год. И лишь версия, отстоящая от самого первого своего предка приблизительно на десять лет, смогла победить человека. Но удивительно не это. А то, что алгоритмы (методы), лежащие в основе этих программ, претерпели крайне мало изменений. Победа была достигнута не за счет новых идей в области искусственного интеллекта, а лишь за счет значительного увеличения памяти и вычислительной мощности (скорости), ставшей доступной для компьютерных программ.

Практически так же обстоят сейчас дела с биоскринингом. Если раньше сроки приготовления 20 чашек Петри или пробирок для анализа составляли десятки дней, то сегодня, благодаря достижениям автоматизации и роботизации, существует возможность проводить скрининг тысяч образцов в течение часа. Безусловно, в результате подобного процесса генерируется огромное количество информации, в которой необходимо выделить «зерна». Но, опять же, текущее состояние вычислительных технологий позволяет легко с этим справиться.

Метод биоскрининга оказывается крайне востребованным в текущий момент, когда определены размеры и состав генома человека и прочих видов. Работать с таким объемом информации удается только широкомасштабными методами и биоскрининг, безусловно, выступает на первый план, благодаря своей гибкости и универсальности. Практически все современные лекарственные препараты были открыты при помощи этой методики. Перечислим ряд последних работ ученых по применению метода биоскрининга в различных областях.

20090416bioscreening

Группа ученых из университета Гарварда разработала модель для биоскрининга, позволяющую отслеживать процесс заживления раны. Для этого на пластик наносится слой культуры клеток и затем при помощи иголок на нем процарапывается «рана». Как правило, при биоскрининге используют специфический краситель, изменяющий свои характеристики в отличающихся образцах. По степени изменения характеристики краски судят об активности образца. В предложенной же модели процесс заживления каждой из «ран» фиксируется на видеокамеру, что позволяет наблюдать за ним во всех деталях. Это позволяет проводить целый ряд исследований. Во-первых, выключая и включая разные гены в клетках, можно определить, какие из них являются критическими для процесса заживления. Во-вторых, можно проследить эффект от добавления разного рода химических веществ и определить те из них, которые будут способствовать данному процессу.

В работе ученых из университета Скриппса был предложен новый потенциальный противораковый препарат, выделенный при помощи новой методики биоскрининга. Одновременно с этим они решили проблему, являющуюся одним из узких мест. Дело в том, что при проведении поиска активных химических веществ на белковых молекулах, к каждому из белков необходимо подобрать индивидуальный краситель, по которому определяется степень активности вещества. Общее количество уникальных белков в организме человека превышает десятки тысяч, а процесс подбора краски крайне трудоемок, так как необходимо знать последовательность аминокислот, структуру белков и ряд других характеристик. Ученые предложили разделить все известные белки на несколько классов, обладающих сходными особенностями и использовать краситель, эксплуатирующий данные особенности. Таким образом, можно проводить скрининг даже на белках, о которых известно крайне мало.

Напоследок хочется отметить, что с медленным вступлением человечества в эру персональной медицины, когда лекарства и лечение будут назначаться исходя из анализа генома индивидуального человека и текущей активности всех его молекулярных составляющих, биоскрининг явно не останется без работы. И, возможно, совсем скоро можно будет услышать диалог:
— Мама, можно я пойду погуляю? Я уже хорошо себя чувствую.
— Сынок, подойди к биоскринеру: если он даст добро, то беги».

Об авторе