Компьютерная игра может помочь ученым в разработке лекарства против COVID-19

Принять активное участие в спасении планеты от пандемии Covid-19 может любой желающий. Причем даже не выходя из дома, что особенно удобно в условиях тотального карантина.

Для этого не нужно быть химиком или врачом — можно и вовсе не иметь никакого образования. Более того, не обязательно даже быть совершеннолетним.

Чтобы помочь ученым в поиске эффективного лекарства от коронавируса, достаточно иметь компьютер и немного свободного времени. Даже постоянный доступ в интернет не обязателен — играть можно офлайн.

Всё верно, играть. Научные изыскания можно вести, решая пространственные задачи-головоломки, с большинством из которых без особого труда справится ученик средней школы (игра переведена на дюжину языков, включая русский).

Однако за увлекательным времяпрепровождением скрывается серьезная наука.

Ключ к вирусу

Игра под названием Fold.it была разработана Центром игровой науки (Center for Game Science) в Сиэтле как совместный проект пяти ведущих американских вузов, основной из которых — Институт белкового дизайна при Вашингтонском университете.

Изначально платформа создавалась для борьбы с другими болезнями — в первую очередь с ВИЧ и различными видами рака. Но сейчас она полностью посвящена поиску лекарства от Covid-19.

На первый взгляд игра немного напоминает виртуальный 3D-конструктор — разве что детали у него довольно причудливой формы. Одни похожи на ветви деревьев, другие — на закрученные спиралью макароны или кукурузные палочки, третьи — на пчелиные соты.

Конструктор этот уже как будто кто-то собрал, соединив детали в длинную извилистую цепочку. Только собрал как-то неправильно, словно в спешке — и даже специально отметил места, где можно было постараться получше.

В этом и состоит задача игрока — усовершенствовать конструкцию, вращая фрагменты относительно друг друга, чтобы добиться оптимальной формы.

На самом деле конструктор — это молекула белка. Только белок этот не настоящий: цепочка сгенерирована компьютером из стандартного набора аминокислот методом случайных чисел.

В общей сложности аминокислот, из которых состоят белки, всего 20 — казалось бы, немного. Но как из 33 букв русского алфавита составлено бесчисленное множество текстов — от школьных прописей до «Войны и мира», — так из двух десятков аминокислот теоретически можно собрать бесконечное число протеинов, нанизывая их друг за другом в произвольном порядке.

Вариантов настолько много, что массы всей нашей планеты не хватит, чтобы собрать хотя бы по одной молекуле каждого возможного белка всего из 40 звеньев. А это очень короткая цепь: в большинстве известных науке протеинов аминокислот больше тысячи.

Каждое звено обладает своим набором химических свойств, все они взаимодействуют друг с другом — и за счет этого длинная цепочка сворачивается в клубок. Но не произвольно, как придется, а всегда одинаково.

Архитектура каждого белка уникальна и неповторима. И именно она определяет его свойства, поскольку позволяет сцепляться с подходящим по форме рецептором.

Проще говоря, протеины — это набор ключей, каждый из которых открывает свой замок. Например, инсулин открывает клетку для поступления туда глюкозы.

При чем здесь коронавирус?

Вирус SARS-CoV-2 — опасный самозванец, который фактически подобрал ключ к нашим клеткам.

Как и другие коронавирусы, он покрыт защитной оболочкой, усеянной шиповидными отростками. И на конце каждого такого шипа — молекула белка, которая служит ему отмычкой.

Дело в том, что на поверхности наших клеток есть рецептор ACE2 (АФП2), рассчитанный на очень похожий по форме протеин. Поэтому, когда вирус попадает шипом в «замок», клеточная мембрана принимает его за своего и пропускает внутрь.

Чтобы предотвратить заражение или остановить развитие болезни, нужно найти такой белок, который бы связывал вирусу руки — то есть блокировал шиповидные отростки, не давая ему проникнуть в клетку. И все, что для этого нужно, — подобрать молекулу нужной формы.

Звучит не слишком сложно, но на самом деле с этой задаче плохо справляются даже суперкомпьютеры. Точно предсказать, как именно свернется последовательность из сотен и тысяч аминокислот, где каждое звено влияет на другие, практически невозможно. Не говоря уже о бесчисленных вариантах самой цепочки.

И вот тут на помощь приходят обычные люди, игроки в Fold.it (дословный перевод названия — «Сверни его»). Развлекаясь с виртуальным 3D-конструктором в свободное время, они опытным путем на практике перебирают миллионы возможных комбинаций.

Поскольку во всех известных белках аминокислоты упакованы в пространстве максимально компактно, количество набранных очков зависит от того, насколько плотным получается клубок, свернутый «вручную».

При этом сам игрок может не знать о белках вообще ничего — достаточно лишь в самых общих чертах сообщить ему какие-то общие закономерности. Например, оранжевые фрагменты скорее всего будут спрятаны в центре клубка, а зеленые расположатся ближе к поверхности.

Экспериментально доказано: наш мозг решает пространственные задачи совсем не хуже, а часто даже лучше искусственного интеллекта — за счет интуиции и накопленного опыта. Более того, опытные геймеры делают более точные предсказания и справляются с укладкой цепочки лучше, чем профильные ученые.

А пока игра продолжается, первая сотня самых удачных вариантов уже проходит испытания в Вашингтонском университете. Химики и биоинженеры Института белкового дизайна вручную собирают предложенные игроками виртуальные цепочки протеинов в лаборатории — чтобы проверить, как они свернутся в реальной жизни.

Может быть, один из них сможет защитить наши клетки от вируса-самозванца.

Николай Воронин Корреспондент
по вопросам науки