Американские биологи разработали специальный компьютерный алгоритм, позволяющий получить «эскиз» трехмерной структуры произвольного белка по снимкам высокого разрешения с нескольких ракурсов, говорится в статье, опубликованной в журнале Structure.

Проблема восстановления трехмерной структуры белков является одной из самых сложных вычислительных задач.

Как правило, белки состоят из множества тысяч остатков аминокислот, которые могут взаимодействовать друг с другом сотнями путей. Расчет всех возможных комбинаций и поиск «правильного» варианта занимает непозволительно много времени даже у современных суперкомпьютеров.

В 2008 году группа программистов и биологов из университета штата Вашингтон привлекла к этой задачи коллективный «интернет-разум», разработав компьютерную игру – белковый «конструктор» FoldIt.

Группа биологов под руководством Мэттью Бейкера (Matthew Baker) из медицинского колледжа Бейлор в городе Хьюстон (США) разработала компьютерную программу, которая позволяет относительно быстро получать примерную структуру того или иного белка по нескольким снимкам его молекулы с разрешением в 3–8 ангстрем (десятых частей нанометра).

Для решения этой проблемы мы позаимствовали алгоритмы, описывающие решение классической вычислительной проблемы, которая известна под названием «задача коммивояжера». По своей сути она напоминает головоломку в которой игрок должен получить картинку, соединив пронумерованные точки. Только в этом случае числа отсутствуют, – пояснила участница группы Мария Бейкер (Mariah Baker) из медицинского колледжа Бейлор.

В оригинальной задаче воображаемый торговец должен найти кратчайший маршрут, по которому он сможет обойти все нужные точки-«города» и вернуться в исходный пункт.

При увеличении числа городов до двухзначных значений задача становится не решаемой с точки зрения простого перебора значений – ее решение затянется на миллиарды лет даже на самом быстром суперкомпьютере. Поэтому большинство действенных методов ее решения относятся к числу эвристических алгоритмов – математически нестрогих методов, дающих приемлемый ответ.

Бейкер и его коллеги использовали эти методы для восстановления структуры белков, только на этот раз «торговец» путешествовал не по городам, а по соединительным мостикам между остатками аминокислот. Эти участки белковых молекул хорошо различимы на снимках, которые можно получить при помощи современных рентгеновских кристаллографов или криомикроскопов.

По словам биологов, данная методика универсальна и не требует предварительных знаний о поведении и функциях белковой молекулы, в других методов восстановления структуры белков «по фотографии».

«Это особенно важно при работе с гигантскими белковыми комплексами из 10 или 30 отдельных молекул. Вы можете знать структуру одного или двух его компонентов, но вам нужно понимать, как все компоненты структуры взаимодействуют друг с другом. И если вам удастся разделить составляющие, вы сможете использовать наш метод для получения модели всех белков в комплексе», – заключает Мэтью Бейкер.