Сегодня мы все чаще встречаем примеры демонстрации различных нанопроцессов и нанотехнологий на наглядном уровне. Как правило, большинство из них направлено на обучение, пояснение и популяризацию нанотехнологий в современном обществе.

Все эти инновационные решения дают прекрасную возможность не только буквально увидеть результаты новейших разработок в области нанотехнологий, но и влиять на них, взаимодействуя с виртуальными моделями на различных уровнях моторики. Но не стоит забывать и о том, что технологии интерактивной визуализации можно использовать не только для иллюстрации и популяризации, но и при проведении рабочих исследований и разработок в области нанотехнологий.

Интерактивная визуализация – это не только технология представления результатов, это еще и рабочее место специалиста-нанотехнолога и его инструмент для работы в «виртуальном наномире».

Давайте рассмотрим, что это может дать на реальном примере.

Не так давно группа ученых из НИВЦ МГУ поставила перед собой задачу – рассчитать на супер-компьютере лекарство и проверить результаты расчета на практике. В качестве примера взяли лекарство, препятствующее образованию тромбов в сосудах.

Задача заключалась в том, что супер-компьютер (кластер НИВЦ МГУ) перебирал огромную базу данных органических молекулярных соединений в поиске наиболее подходящего кандидата на лекарство. За полтора года было исследовано 6 000 соединений, из которых выбрали 20 самых удачных экземпляров. По этим моделям были синтезированы реальные химические соединения – кандидаты в лекарство. В результате 3 образца из 20 синтезированных, показали эффективность на 1–2 порядка выше, чем у ныне существующего лекарства.

Процесс расчета состоял в том, что в сложной и объемной молекуле белка нужно было «закупорить» некую полость при помощи синтезированной молекулы ингибитора. Все расчеты на супер-компьютере делались «вслепую», а визуализировался сам результат финального расчета, то есть положение молекулы лекарства внутри белка. Так, например, при синтезе лекарств программа на суперкомпьютере перебирала различные варианты расположения модели лекарства в полости белка и рассчитывала силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Вальса). При этом основным критерием отбора было то, насколько «прочно» лекарство фиксируется в полости белка Тизина.

Минус этого метода заключался в том, что много времени было затрачено на «слепой» перебор и тестирование сложных молекулярных соединений. По результатам расчетов строилась модель белка с оптимальным расположением лекарства в полости белка.

Процедуру выбора можно было бы упростить, если бы мы обеспечили ученого методами интерактивной визуальной аналитики. Представьте себе, что вместо «слепого» метода, у исследователя есть возможность виртуально перебирать виртуальные лекарства, вставлять их в модель белка буквально собственными руками и при этом сразу же видеть наглядный результат.

Технология интерактивной визуализации (виртуальной реальности) позволяет «поменять» местами процесс расчета и визуализации.

Ученые сначала своими руками пытаются подобрать кандидат в лекарство, «примеряя» его виртуальную модель к белку, а затем решают, стоит ли просчитывать ее на суперкомпьютере.

Это можно проиллюстрировать на простом примере нахождения максимума функции.

Любой человек, глядя на кривую, показанную на рисунке, сразу скажет, где у нее максимум. Компьютерная программа может сделать это, только вычисляя значения функции в определенных алгоритмом поиска точках, и сужая область поиска до нахождения искомого максимума.

Иллюстрация процесса на «живом 3D дисплее» EligoVision

С разрешения ученых из НИВЦ МГУ компания EligoVision взяла результаты выполненной работы по синтезу нового лекарства и создала виртуальный мир, где три наиболее эффективных синтезированных кандидата в лекарства «ложились» в полость 3D модели белка.

В виртуальном пространстве мы можем реализовывать законы реального мира. Можно запрограммировать законы, по которым будет «жить» виртуальный наномир. Можно моделировать различные физические и химические явления на наноуровне.

Таким образом, виртуальное рабочее место нанотехнолога (будь то биотехнологии, молекулярные, физико-химические или генетические исследования) – это инструмент визуального, объемного анализа той или иной задачи в синтезированном на компьютере виртуальном пространстве (наномире). В пространстве, где существуют свои запрограммированные законы взаимодействия и поведения моделей нанообъектов, максимально приближенные к реальным.

Проведенная работа вызвала серьезный резонанс в научной среде. Очень скоро такие технологии будут активно использоваться не только для качественной объемной и интерактивной демонстрации нанопроцессов, но и в самом рабочем процессе их разработки и создания.

Ниже вы можете посмотреть небольшой видео-сюжет, который иллюстрирует процесс подбора ингибитора для белка Тизина, созданный разработчиками EligoVision.

Валерия Холодкова, Сергей Матвеев (компания EligoVision)