Для снятия страны с импортной лекарственной иглы потребуется решить множество задач, на это нацелены многие науки. Мы уже сообщали о проекте создания в КФУ лаборатории и открытия магистратуры по направлению «Хемоинформатика». Научным руководителем этого совместного с университетом Страсбурга (Франция) проекта является известный специалист в области хемоинформатики профессор Александр Варнек.
О том, как обстоят дела на данном этапе, нашему корреспонденту рассказал младший научный сотрудник кафедры органической химии Химического института им. А.М.Бутлерова Тимур Маджидов.
Для справки. Александр Алексеевич Варнек – выходец из России, работает в Страсбурге. По его инициативе в 2002 году в Страсбургском университете была создана лаборатория хемоинформатики и открыта первая в мире магистратура по данному направлению. В 2011-м и 2012 годах он побывал в Казанском университете с целью сначала создания, а затем развития направления хемоинформатики, открытия магистратуры по данному направлению, тогда же была достигнута договоренность о стажировках наших ученых и обучении студентов в Страсбурге по данному направлению.
–Тимур Исмаилович, слово «хемоинформатика» уж очень непривычное на российский слух. Расскажите об этой науке подробнее.
– Слово «хемо» означает «химическая». Названия «химическая информатика» и «хемоинформатика» (Chemoinformatics) не являются общепризнанными. В Америке принято говорить химинформатика (Cheminformatics), а в Европе – хемоинформатика.
Наиболее популярное определение дисциплины звучит как использование методов информатики для решения химических проблем. Дело в том, что в химии накоплено огромное количество данных. В самой крупной базе существует более 60 миллионов соединений, полученных и охарактеризованных, реально существующих. То есть, когда вам нужно подыскать одно лекарство или какое-то соединение из этих 60 миллионов, это математически эквивалентно поиску иголки в стогу сена весом в добрый десяток тонн! Глазами их пересмотреть просто невозможно. Во-вторых, информацию нужно как-то хранить, систематизировать. Разрозненных публикаций тьма, но даже если свести их в некую стройную серию, ежегодно получатся тома и тома очень толстых книжек. И если вам нужно найти статью по интересующей теме, то придется вручную перебрать тысячи и тысячи страниц текста. Кроме того, часто необходимо найти соединения пока несуществующие, но потенциально обладающие конкретными свойствами. А их опять же несметное множество – даже самых маленьких соединений (до 15 атомов) больше, чем число атомов во вселенной!
Для справки. Хемоинформатика - это научная дисциплина, возникшая в пограничной области между химией, биологией и вычислительной математикой. Было осознано, что во многих областях химии огромный объем информации, накопленный в ходе химических исследований, может быть обработан и проанализирован с помощью компьютеров. Более того, многие из проблем в химии настолько сложны, что для их решения требуются новые подходы, основанные на применении методов информатики. Исходя из этого, были разработаны методы для построения баз данных по химическим соединениям и реакциям, для прогнозирования физических, химических и биологических свойств соединений и материалов, для поиска новых лекарственных препаратов, анализа спектральной информации, для предсказания метаболизма химических соединений и многих других задач.
– И вот здесь приходит на помощь хемоинформатика, так?
– Совершенно верно. В информатике работа с таким объемом данных – привычная реальность, представьте только, сколько страниц перебирает поисковик при запросе, скажем, слова «новости». Но химические данные – это особый сорт информации. Формулы, трехмерные структуры, химические реакции сводить к словам крайне неэффективно. Адаптация методов информатики к химическим системам, чтоб информационные технологии потом можно было использовать для систематизации, анализа, предсказания свойств, – одна из основных задач хемоинформатики.
Нам часто не нужно знать, как происходит процесс в деталях – нам важен ответ на вопрос: обладает вещество полезными или вредными свойствами или нет, и иногда нам важно, насколько выражено свойство. В хемоинформатике основная идея состоит в том, что законы природы очень сложны, чтобы их можно было знать точно и поэтому использовать для моделирования. Как, например, смоделировать биологическую активность? Существует огромное количество факторов, которые на нее влияют: как связывается соединение, в каком виде действует, как проникает в клетку и как выводится, учесть их все – задача практически невозможная! Более того, такая комплексная информация известна только для очень малого числа соединений – наш организм слишком сложен. В хемоинформатике задача предсказания новых соединений с заданными свойствами решается с использованием интеллектуальных методов анализа данных. Положим, вы имеете набор соединений, и вам известно, что они все обладают полезными свойствами, и вам нужно найти новый аналог. Логично предположить, что требуемое соединение должно быть похоже на те, что уже есть в базе. Но схожесть – понятие весьма субъективное, в чем-то молекулы похожи, а в чем-то нет. В хемоинформатике строится множество моделей, которые на основании тех или иных представлений молекул и критериев схожести предсказывают свойства. На основании качества предсказания мы отбираем лучшие модели и, загружая в них новые соединения (в том числе и пока не существующие), достаточно эффективно можем произвести поиск требуемых соединений. Я проиллюстрировал на примере поиска соединений с требуемыми свойствами – но ими не ограничивается современная хемоинформатика! Основная идея ее столь широка, что можно анализировать и предсказывать очень многие свойства, в том числе токсичность, метаболизм, реакционную способность соединений, изучать реакции, смеси, материалы и многое другое. Для нашей нефтехимической промышленности республики важно, что эти подходы потенциально могут позволять предсказывать условия реакций, лучшие катализаторы для химической промышленности, эмульгаторы или другие специальные добавки к нефтям, облегчающие ее транспортировку.
Для справки. Виртуальный скрининг – это вычислительная процедура, которая включает автоматизированный просмотр базы данных химических соединений и отбор тех из них, для которых прогнозируется наличие желаемых свойств. Чаще всего виртуальный скрининг применяется при разработке новых лекарственных препаратов для поиска химических соединений, обладающих нужным видом биологической активности.
Компьютерный синтез – область хемоинформатики, охватывающая методы, алгоритмы и реализующие их компьютерные программы, оказывающие помощь химику в планировании синтеза органических соединений, прогнозировании результатов и дизайне новых типов органических реакций на основе обобщения данных по известным синтетическим превращениям.
– А как это делается в промышленности, когда не используется хемоинформатика?
– Берется так называемая разбросанная библиотека соединений, максимально непохожих друг на друга. Набираются, скажем, две тысячи соединений – это зависит от вашего бюджета. Они синтезируются, а затем проверяются на биоактивность. Допустим, какое-то из соединений показало неплохую биоактивность, которая вам и требуется. Далее вы синтезируете похожие на него соединения, например, еще несколько сотен, и среди них ищете более активные или менее токсичные. И так далее, и так далее. Уточняя и уточняя, вы далее выходите на лекарственные средства с требующейся вам активностью и с отсутствием нежелательных эффектов.
Как поступают в хемоинформатике? Строго говоря, аналогично – но все происходит в компьютере. Берут активные соединения, которые уже известны, создают чисто математическую модель, в которую вводят конкретное соединение или миллионы соединений. Согласитесь, математика работает быстрее, чем экспериментальная химия. По заданным параметрам модель сама отбирает те или иные соединения (активные и нет). Затем можно усложнить модель. Таким образом, фильтруются и отсеиваются ненужные соединения, и остается всего несколько десятков - те, с которыми можно экспериментально работать. Получается гораздо дешевле. Таким образом фармкомпании экономят сотни миллионов долларов – и лекарство для нас, потребителей, получается дешевле.
– Какими компетенциями нужно обладать, чтобы заниматься хемоинформатикой? И обучают ли этим компетенциям в университете?
– Хемоинформатика тем и сложна, что является междисциплинарной областью. Для меня это новая область, немного облегчает ее понимание то, что я теоретический химик, занимался квантовой химией. Но мне не хватает знаний и навыков в области программирования, что крайне важно. Тем не менее, мы, я имею в виду и себя, и профессора Александра Варнека, и заведующего кафедрой органической химии, главного идеолога создания магистратуры по хемоинформатике в КФУ – заведующего кафедрой органической химии И.С.Антипина, мы верим, что Казанский университет обладает всеми возможностями для подготовки квалифицированных специалистов в данной области. Математика, химия, биология, информатика – эти знания необходимы специалисту в данной области, а в нашем университете они преподаются прекрасно. Нужно только начать научную работу в области хемоинформатики и подготовку преподавателей, и в этом смысле я бы хотел поблагодарить профессора Варнека, который столько сил и энергии вкладывает в это дело, в том числе и в мою подготовку.
– Развита ли хемоинформатика в России?
– Данное направление в вузах России практически не разработано. В мире же существуют две специализированные учебные программы по хемоинформатике – в Университете Индианы с 2005 года и Страсбургском университете с 2002 года, за подготовку брался также Университет Шеффилда, но по каким-то причинам эта магистратура была закрыта. Специалистов же по хемоинформатике часто готовят в рамках медицинской химии. Скажем, в Московском университете есть специальность «медицинская химия», и там читают курс хемоинформатики. Но целенаправленно специалистов в данном направлении не готовят.
– Как это будет реализовываться в КФУ?
– В рамках подписанного рамочного соглашения со Страсбургским университетом была достигнута договоренность о создании магистратуры в Казанском университете. Когда откроется данная магистратура, то мы будем первыми в России и четвертыми в мире, кто это сделал. Во время последнего визита профессора Александра Варнека было решено открыть магистратуру в Казанском университете в 2012 году, причем магистратуру совместную со Страсбургом и с присуждением двойных дипломов. Наши студенты будут иметь возможность, проучившись год в Казани, второй год получать образование в Страсбурге, там подготовить и защитить магистерскую работу и получить диплом и Казанского, и Страсбургского университетов. Я считаю, что это очень перспективная магистратура, потому что в ее рамках, помимо серьезной подготовки в области хемоинформатики, дается достаточно сильная IT-подготовка, и наши специалисты смогут работать также и в этом направлении.
Нам предстоит титанический объем работы. Сейчас мы на кафедре активно занимаемся подготовкой методической литературы, учебного плана, программ конкретных дисциплин. Мы активно работаем с Институтом вычислительной математики и информационных технологий по данному вопросу.
Лично у меня грандиозный план на этот год – Александр Алексеевич предложил мне принять участие в написании первого учебника по хемоинформатике на русском языке. В дальнейшем планируется перевести этот учебник на английский, потому что специализированной учебной литературы по хемоинформатике крайне мало. Три месяца я уже стажировался в Страсбурге, где мне охотно предоставляли все имеющиеся у них ресурсы.
– На каком языке проходило ваше обучение?
– Лекции в основном проходили на французском языке. Я им изначально практически не владел, но, на самом деле, понимать лекции не слишком сложно – помогают презентации. Там практикуется также приглашать различных специалистов со всего мира, которые дают лекции о современном состоянии хемоинформатики на английском языке. Нашим магистрам придется знать оба этих языка для обучения в Страсбурге – и мы уже отразили это в учебном плане.
– Как жили эти три месяца?
– Так как моя задача в этой поездке сводилась к общему знакомству с областью хемоинформатики, то я посещал наиболее интересные лекции наряду со студентами, магистрами первого и второго года обучений, чтобы посмотреть, как преподаются предметы, каково их содержание, какие образовательные технологии, и, в первую очередь, подучиться самому. Адаптировал их программу к нашим реалиям, общался со специалистами, пытался вникнуть в научную работу сотрудников, чтобы понять основные направления исследований. Много читал и много спрашивал. Кроме того, огромное количество работы было от КФУ – собственно, то, ради чего я поехал. От самого профессора Варнека тоже поступило несколько заданий: например, спланировать, как будет развиваться хемоинформатика в Казанском университете. Сейчас создана комиссия по развитию хемо- и биоинформатики в КФУ – у нас много коллег и доброжелателей.
– Планируются ли еще поездки во Францию?
– Необходимость в посещении Страсбурга для меня есть. это связано с написанием учебника по хемоинформатике. Чтобы писать, мне нужны литература и консультации со специалистами и, конечно, с главным автором – профессором Александром Варнеком. Сама научная атмосфера, дух единения помогают там! Также нам необходимы контакты с компанией eNovalys, c которой у нас существует совместный научный проект. В нем участвует, помимо кафедры органической химии КФУ, также и лаборатория хемоинформатики Страсбургского университета. Главная цель проекта – создание экспертной системы, которая позволит предсказывать условия химических реакций. На кафедре уже началась работа по наработке экспериментальных результатов в этом направлении, ею занимается другой молодой сотрудник нашей кафедры Владимир Бурилов. Таким образом, на предстоящий год у нас, скажем так, у инициативной группы по развитию хемоинформатики, огромные планы и на науку, и на образование.
Благо, университет нас полностью поддерживает, и поездка на этот год уже одобрена. Осталось работать, работать и еще раз работать. Большое доверие – большая ответственность.
– Можете сравнить атмосферу в КФУ и Страсбургском университете?
– В Страсбургском университете более разумно выстроен менеджмент в образовании и науке. Плюс, насколько я понимаю, нагрузка на преподавателей меньше. Остается больше времени на науку. Люди загружены, но не перегружены. Скажем, в лаборатории есть секретарь, который оформляет все официальные документы – у них бюрократия тоже очень серьезная. Но, в целом, как и у нас, атмосфера очень дружелюбная. Люди науки – это все-таки особая среда.
В нашем университете есть почва для открытия нового дела, но у нас пока нет опыта. Им с нами делятся профессор Варнек и его сотрудники. Наш университет очень заинтересован, чтобы хемоинформатика и биоинформатика развивались, – это новое и весьма перспективное для России направление. И это будет прорывом, если данное направление пойдет.
– Спасибо за интервью, Тимур Исмаилович. Желаем вам успехов!