В развязке фильма «Бегущий по лезвию» герой Рутгера Хауэра говорит, что видел многое, что люди не могут себе даже представить — космические битвы, пылающие боевые корабли — но разве так уж трудно вообразить всё это современному человеку, избалованному компьютерной графикой? В то же время, нас окружает множество вещей, которые мы никогда не сможем рассмотреть в деталях, в силу фундаментальных физических ограничений. Более того — мы и сами состоим из таких вещей. Впрочем, хорошая новость в том, что эти объекты можно смоделировать и визуализировать, используя развитый в настоящее время 3D-инструментарий. А если собрать команду, в которой будут не только трехмерные моделлеры, визуализаторы и дизайнеры, но и ученые, можно максимально приблизить результат к реальности.

Под катом первая часть рассказа о нашем опыте создания научно достверных моделей вирусов.

Мир молекулярных машин и вирусов предлагает массу интересных вызовов CG командам. Проблема в том, что пока не существует универсальной научной методики, которая позволила бы полностью описать строение вирусной частицы. Для того, чтобы описать устройство вируса нужно пользоваться множеством методов, которые дают представление об отдельных кусках финального паззла. Электронная микроскопия позволяет оценить размеры и очертания вирионов, рентгеноструктурный анализ способен описать отдельные белки или их фрагменты, а молекулярно-биологические и биохимические методы дают сведения о том, сколько каких молекул входит в состав вируса и как они между собой взаимодействуют. При этом создается несколько парадоксальная ситуация: многие вирусы изучены очень подробно и в деталях, но не существует изображений, которые давали бы научно достоверное и полное представление о том, как они устроены.

Например, современные электронные микрофотографии вирусных частиц гриппа выглядят так (источник).

Визуализация данных криоэлектронной микроскопии геномного комплекса вируса гриппа А и реконструкция упаковки РНК (желтая лента) белками В и С. Работу с этими данными опубликовала в конце 2012 года в журнале Science группа вирусологов из Мадрида, которые помогли нам в создании модели вируса гриппа A/H1N1.

Собрать всю доступную информацию технически возможно. Но ее систематизация, обработка и перевод в 3Д модель требует командного подхода. При этом даже компетентный научный консультант не может обладать полным багажом узкоспециальных знаний по теме, поэтому к проекту важно подключить ученых, посвятивших работе с тем или иным вирусом всю свою карьеру. Моделлер без биологического образования не разберется в опубликованных научных данных и структурах белков из Protein Data Bank, а также не сможет корректно достроить модели молекул при помощи молекулярной динамики, где это необходимо (приблизительно 80–90% белков, с которыми мы сталкиваемся, имеют неполное описание пространственной струкутры на 10–90%). Ученый же, даже обладая всеми сведениями в отдельности, не может собрать и визуализировать полную модель в профессиональных пограммах для трехмерного моделирования. По нашему опыту, только тесное взаимодействие этих специалистов может дать аккуратный и информативный результат.

Изображение вируса гриппа с детализацией до атомов. Все белки и белковые комплексы в составе частицы, а также их количественные соотношения и положение соответствуют опубликованным в научной литературе данным (подписи всех компонентов).

Модель создана при участии Хайме Мартин-Бенито и коллег (Испанский национальный центр биотехнологий, Мадрид, Испания). 2013 год.

Внутреннее устройство вируса иммунодефицита человека. Виден край мембранной оболочки, белки, присутствующие внутри вириона, капсид и фрагменты РНК вируса, в нем заключенные (подписи всех компонентов). Модель создана при участии Егора Воронина (Global HIV Vaccine Enterprise). Приз за лучшую научную иллюстрацию на конкурсе Science and Engineering Visualization Challenge в 2011 году.

Модель предполагаемой укладки генома вируса папилломы человека. Модель создана при участии Кристофера Бака (Национальный институт рака, США). 2012 год.

Частица и отдельные белки вируса Эбола. Модель создана при участии Рональда Харти (Университет Пеннисльвании, США). Honorable mention конкурса Science and Engineering Visualization Challenge в 2010 году. Экспозиция салона Ассоциации медицинских иллюстраторов в Торонто в 2012 году.

Наша студия несколько лет назад запустила некоммерческий проект, суть которого в моделировании и визуализации наиболее распространенных и опасных вирусов человека. Мы назвали его Viral Park, или “Зоопарк вирусов”. Проект пока включает четыре вирусные модели, еще несколько находятся в разработке, а в планах сделать серию из примерно двадцати вирионов. За время работы над проектом мы успели освоить и наладить процесс, выделив в нем ряд этапов:

• Обзор литературы и систематизация обнаруженных данных
• Молекулярное моделирование и динамика
• Сборка полной модели из отдельных элементов
• 3D визуализация и дизайн
• Создание материалов на основе модели от плакатов до приложений, виджетов и пластиковых моделей.

В этом посте мы немного расскажем о первом этапе нашей работы.

Сбор информации об изучаемой теме — это задача, которую ученые решают постоянно. Невозможно сделать новый проект, не зная того, что опубликовали до тебя. Для этого надо найти и проанализировать сначала обзорные, а потом и исследовательские публикации по интересующему вопросу. Та же схема работает, когда собирается информация о строении вирусов. Благодаря базам естественнонаучных публикаций основных мировых журналов PubMed и Google Scholar этот процесс можно организовать весьма эффективно. Если нужна вводная информация о биологии вируса, можно воспользоваться сайтом Viral Zone а много данных по отдельным белкам доступно в базе данных Uniprot. Структуры белков или их фрагментов, полученные разными коллективами ученых при помощи методов ядерного магнитного резонанса и рентгеноструктурного анализа, доступны в уже упомянутом Protein Data Bank в виде координат всех атомов или, в ряде случаев, только альфа-атомов цепочки белка.

Задачей для ученого в процессе создания модели вируса являются сбор, обработка и подготовка всей информации в том виде, который будет удобен для работы остальных членов команды. Нужно составить полный список всех типов молекул, которые образуют частицу, и всех их взаимодействий. Помимо белков это могут быть липиды мембраны и молекулы вирусного генома, представленные ДНК или РНК. Дальше надо понять, в каких количествах молекулы представлены в частице, и какие места они занимают. Эта наиболее сложная для поиска и часто противоречивая и неполная информация, поскольку разные методы могут давать разные оценки. Для уточнения тех или иных вопросов мы связываемся с авторами статей, в которых они обсуждаются. Это вполне принятая практика в научном сообществе, и ученые часто с удовольствием, а иногда без идут на контакт и порой делятся своими гипотезами и даже неопубликованными данными, как это было при работе над моделью Гриппа в случае с уже упомянутыми испанскими вирусологами.

Результатом исследования литературы должна стать максимально подробная вербальная картина будущей модели. Надо понимать что, в каких количествах и каким образом упаковано в вирусной частице. Это можно свести в описание, таблицу количеств и взаимодействий и план модели в нужном масштабе.

Дальнейшие этапы работы подразумевают получение трехмерных моделей всех нужных компонентов. Одной из проблем тут является то, что не для всех белков и их комплексов могут быть доступны атомные структуры. Существенную часть вирусных белков ученым просто еще не удалось описать. В нашей работе мы используем методы структурной биоинформатики, чтобы заполнить этот пробел. Об этом мы расскажем в следующих постах. Также постараемся раскрыть детали того, как происходит сборка полной модели, ее визуализация и создание образовательных пособий и виджетов на основе полученного результата.

Мы считаем, что у такого детального подхода к моделированию молекулярно-биологических объектов большие перспективы с точки зрения его применения в образовании, популяризации науки и научной коммуникации. В пользу этого говорит и то, что такие модели получают высокие оценки на крупных международных конкурсах научной иллюстрации и дизайна, положительные отзывы известных коллег, а включить такие изображения в свои презентации бывает приятно даже Франсуазе Барре-Синусси, получившей Нобелевскую премию за открытие ВИЧ.

В продолжении темы, помимо моделирования вирусов в рамках Зоопарка вирусов, мы обсудим сферу научной и медицинской иллюстрации в целом, поговорим о том, почему это актуально, чем это отличается от набирающего популярность научного исскуства, или Science Art, и как это поможет сделать мир лучше а науку понятнее.