Новая разработка российских ученых — виртуальная клетка — поможет воспроизводить экспериментальные данные для конкретных типов клеток человека. Ученые смогут проверять гипотезы на начальном этапе, не прибегая к живым клеточным культурам или модельным организмам. Это существенно сэкономит время при поиске новых мишеней и лекарственных средств.
Разработку ведет научная группа направления «Вычислительная биология» Научно-технологического университета «Сириус». Исследование получило поддержку Российского научного фонда (РНФ).
Увеличение вычислительных мощностей и появление новых подходов к анализу больших данных стало толчком для развития системной биологии — науки, исследующей сложные механизмы взаимодействия в живых системах. Одним из ключевых вызовов для ученых послужила разработка виртуальной клетки — модели, позволяющей in silico изучать механизмы в клетках и прослеживать наиболее вероятные реакции в них в ответ на изменения внешних и внутренних факторов, например, чрезмерную активность определенного белка или выброс воспалительных факторов.
Чтобы построить подобную модель, ученым необходимо задействовать мультиомиксные технологии, тем самым объединив данные о ДНК (геномика), белках (протеомика), РНК (транскриптомика) и других типах веществ в клетке. Таким образом, от изучения и построения моделей целого организма исследователи перешли к моделированию на молекулярно-клеточном уровне. В области медицины этот шаг чрезвычайно важен, ведь он поможет определять первопричину развития патологии и бороться с ней, а не только лечить симптомы.
Сотрудники Научно-технологического университета «Сириус» получили поддержку РНФ для проекта по разработке подобной виртуальной клетки. Группа исследователей отберет конкретные омиксные данные клеточных линий, создаст собственную базу данных и архитектуру виртуальной клетки. По итогу работы ученые планируют разработать необходимую модель тестирования для сравнения показателей виртуальной клетки с реальными данными, полученными от живых линий.
«Математическая модель в каком-то смысле является высшей формой моделирования. Таким образом, построение математической или компьютерной модели — это систематизация существующего знания о работе клетки. Мы сводим сведения экспериментальных данных в модель. Построение такой детальной виртуальной клетки позволит существенно расширить наше понимание работы реальной клетки», — отметил Федор Колпаков, научный руководитель направления «Вычислительная биология» Научно-технологического университета «Сириус».
Виртуальная клетка позволит ученым проверять гипотезы на начальном этапе, не прибегая к живым клеточным культурам или модельным организмам. Это сбережет время при поиске новых мишеней и лекарственных средств, так как научная группа получит возможность моделировать варианты взаимодействия на молекулярном уровне.
Сегодня существуют модели клетки только для простых организмов, таких как бактерии Mycoplasma genitalium и Escherichia coli. Эти организмы устроены проще, и данных об особенностях их метаболизма получено достаточно для построения модели, в то время как человеческий организм состоит из множества разных групп клеток, их взаимодействие — предмет изучения по всему миру уже многие годы. Цикл исследований, который ученые Университета «Сириус» проведут для построения модели виртуальной клетки, будет состоять из нескольких этапов: получения данных, их анализа, интеграции, метаанализа и построения модели.
Подобный подход исследователи уже проверили ранее, например для построения модели регуляции генной экспрессии отдельных генов при физической нагрузке. Он позволит использовать модель специалистам без навыков моделирования — биологам и медикам. Благодаря этому подход можно широко использовать для исследований разных научных групп.
По словам ученых, важным компонентом при создании виртуальной клетки станет разработанная учеными платформа BioUML. Она служит инструментом для построения моделей сложных биологических систем. С ее помощью уже созданы модели процессов запрограммированной клеточной смерти (апоптоза) и регуляции артериального давления. Помимо этого, виртуальная клетка ученых Университета «Сириус» — это проект с открытым исходным кодом. Исследователи готовы к сотрудничеству для создания наиболее эффективной и точной модели.
В разработке примут участие аспиранты и магистранты программы «Биоинформатика». Проект реализуется по государственной программе научно-технологического развития федеральной территории «Сириус» и региональному конкурсу Российского научного фонда с 2024 по 2026 год.
