Новые технологии в биомедицине: биоинформатика

 Рис. 10. Наилучшие по энергии связывания модели комплексов цитохрома P450 101

Проблема сокращения временных и финансовых издержек на поиск и создание новых лекарственных средств является в настоящее время чрезвычайно актуальной. Согласно современным оценкам, разработка одного препарата в США занимает в среднем 10-12 лет, а ее стоимость составляет 350-500 млн долларов. Суммарные издержки фармацевтических фирм США на поиск новых веществ, которые могут стать кандидатами на роль новых лекарств, составляют 7-9 миллиардов долларов в год (Martin, 1993).

Весь процесс создания нового лекарственного соединения может быть разделен на 4 основных этапа: (1) поиск мишени действия нового лекарства; (2) поиск биологически активного вещества, обладающего нужным фармакологическим действием; (3) исследование этого соединения в эксперименте in vitro и in vivo; (4) получение разрешения Национальной администрации по лекарствам (FDA – в США, Фармкомитет – в России, и т.д.) и проведение испытаний в клинике.

Биоинформатика является базовой дисциплиной, прежде всего, при поиске мишеней действия новых лекарственных препаратов. В оценке перспективности конкретной мишени учитываются также возможности нахождения соответствующих лигандов (ингибиторов или активаторов). В процессе поиска базовых структур новых лигандов и на этапе оптимизации свойств веществ-кандидатов широко используются компьютерные методы.

Если 3D структура молекулы-мишени известна, то применяют так называемые прямые методы компьютерного конструирования лекарств. В структуре макромолекулы-мишени находят место связывания лиганда и проводят его анализ с помощью молекулярной графики (если имеется экспериментальная информация о месте связывания лиганда) или в комбинации с молекулярным докингом (нахождение места связывания путем молекулярного докинга известного лиганда с макромолекулой-мишенью). На основе полученных данных о структуре активного центра производят поиск новых лигандов в существующих компьютерных банках данных трехмерных структур малых молекул (рис.13).

Обязательным условием реализации подобного подхода является наличие рентгеноструктурных данных о трехмерном строении макромолекулы-мишени. Как правило подобную информацию получают из компьютерного банка PDB - Protein Data Bank, Brookhaven National Laboratory (Bernstein, 1977).

В качестве примера можно привести исследование, выполненное в НИИБМХ РАМН совместно с Центром молекулярного дизайна (Бельгия) по конструированию ингибиторов нейраминидазы вируса гриппа (рис.14). Целью данной работы был поиск новых базовых структур конкурентных ингибиторов нейраминидазы путем скрининга молекулярных баз данных, содержащих десятки тысяч низкомолекулярных коммерчески доступных соединений. Скрининг осуществлялся с помощью оригинальной программы DockSearch, разработанной в НИИ биомедхимии РАМН. Стратегия скрининга состояла из следующих этапов: 1) препроцессинг баз данных (предварительная селекция и подготовка данных); 2) молекулярно-графический анализ структур комплексов нейраминидазы с известными лигандами и описание места связывания лиганда в активном центре фермента; 3) генерация гипотез возможных комплексов нейраминидазы с каждой молекулой из банка данных с оценкой стерической комплементарности; 4) энергетическая оптимизация комплексов и выбор лучших комплексов по величине энергии связывания.

В результате поиска было найдено около 250 низкомолекулярных соединений, удовлетворяющих стерическим и энергетическим требованиям, которые были переданы в Центр молекулярного дизайна (Бельгия) для экспериментальной проверки. На рис. 14 показа структура активного центра нейраминидазы в комплексе с производным сиаловой кислоты - известным конкурентным ингибитором и одним из найденных новых перспективных лигандов.

В случае отсутствия данных о пространственной структуре макромолекулы-мишени или ее активного центра может быть построена соответствующая полная или частичная компьютерная трехмерная модель (см. раздел 3.2).

 Рис.13. Моделирование взаимодействия лиганд-мишень



“L8”

Рис. 14. Комплекс нейраминидазы вируса гриппа с известным ингибитором N-ацетил-2,3-дегидро-2-деоксинейраминовой кислотой (А) и найденным путем скрининга баз данных коммерчески доступных низкомолекулярных соединений новым лигандом «L8» (В).

Если информация о пространственной структуре белка-мишени и его ближайших гомологов отсутствует, но имеется статистически репрезентативная выборка специфических лигандов, поиск новых лигандов может быть осуществлен с использованием "непрямых" методов 3D QSAR и CoMFA(сравнительный анализ молекулярных полей). Эти методы могут быть успешно использованы для пространственного картирования места связывания лиганда и построения модели фармакофора (Sheridan, 1989; Van Drie, 1989; Loew, 1993; Tschinke, 1993). Построенная таким образом модель фармакофора в дальнейшем используется для скрининга потенциальных лигандов в банках данных низкомолекулярных органических соединений (database mining).

Оригинальный подход к компьютерной оценке спектра биологической активности веществ разрабатывается в НИИ биомедхимии РАМН (Поройков, 1999). Компьютерная система PASS прогнозирует свыше 400 фармакологических эффектов и механизмов действия вещества по его структурной формуле. С использованием этого подхода уже выявлены новые базовые структуры, обладающие противоязвенным, противоамнестическим, противоопухолевым, противобактериальным и другими эффектами (http://www.ibmh.msk.su/PASS).

Если десять лет назад основная конкуренция между фармацевтическими фирмами на этапе поиска была связана с выявлением новой базовой структуры, то в конце 90-х годов конкуренция разворачивается уже на более ранней стадии – этапе поиска макромолекулы-мишени. Схематически эти изменения представлены на рис.15.

В XXI веке роль будет возрастать биоинформатики не только в исследовании молекулярной систематики и выяснении механизмов функционирования биологических систем, но также в поиске новых мишеней действия и создании новых более эффективных и безопасных лекарств. В свою очередь, прикладное применение биоинформатики фармацевтической и биотехнологической промышленностью станет существенным источником финансовой поддержки работ по биоинформатике (см. раздел 4).

4. СОСТОЯНИЕ БИОИНФОРМАТИКИ В МИРЕ

На рубеже XX-XXI веков биоинформатика превратилась в бурно развивающуюся область мировой биомедицинской науки. Биоинформатика относится к постгеномным исследованиям, и базируется на информации о геномах про- и эукариот, и экспрессируемых ими белках (протеомах).

Наряду с исследователями, ведущими фундаментальные разработки, потребителями биоинформационных технологий являются медицинские, биотехнологические и учебные учреждения. Эта область определена, как приоритетная Национальным научным фондом и Национальной академией наук США и рассматривается как таковая во всех развитых и во многих развивающихся странах.

Количество Центров биоинформатики выросло за последние два года в несколько раз и составляет в настоящее время более 60. Частичный перечень таких Центров приведен ниже.

Australian National University Bioinformatics (http://life.anu.edu.au:80/index.html)

ANGIS- The Australian National Genomic Information Service [EMBnet Australia National Node] (http://www.angis.org.au)

Australian Biotechnology Association (http://ba-itumac1.lib.unimelb.edu.au/ABA/Bioinformatics.html)

 

ВЕЛИКОБРИТАНИЯ

European Bioinformatics Institute – EBI (http://www.ebi.ac.uk/)

Oxford University Bioinformatics Centre (http://molbiol.ox.ac.uk)

SEQNET - U.K. molecular biology site and U.K. node of EMBnet (http://www.dl.ac.uk/SEQNET/home.html)

Centre for Protein Engineering, MRC Yniversity of Cambridge (http://www.mrc-cpe.cam.ac.uk)

Oxford Centre for Molecular Sciences (http://nmra.ocms.ox.ac.uk)

UK CropNet plant bioinformatics (http://synteny.nott.ac.uk)

 

ГЕРМАНИЯ

European Molecular Biology Laboratory – EMBL (http://www.embl-heidelberg.de/)

Bielefeld University Bioinforrmatics Server. (http://bibiserv.techfak.uni-bielefeld.de)

Hong Kong Bioinformatics Centre, Chinese University of Hong Kong (CUHK) and Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) [EMBnet China Special Node] (http://www.hkbic.bch.cuhk.edu.hk)

Center for Biological Sequence Analysis, Technical University of Denmark (http://www.cbs.dtu.dk)

Bioinformatics Centre UNIVERSITY OF PUNE, PUNE 411 007, INDIA (http://www.bic.nus.edu.sg/~kolaskar) (http://bioinfo.ernet.in)

Centre for Cellular and Molecular Biology, Hyderabad (http://www.ccmbindia.org)

ИЗРАИЛЬ

Bioinformatics Unit, Genome Center and Weizmann Institute of Science (http://bioinformatics.weizmann.ac.il)

HUJI (Israel) Hebrew University of Jerusalem Hadassah Medical School: The Genomic and BioInformatics Server. (http://gene.md.huji.ac.il/gene)

ИТАЛИЯ

TargetFinder: Telethon Inst. of Genetics and Medicine. Milan, Italy (http://hercules.tigem.it/TargetFinder.html)

Irish National Centre for BioInformatics (http://www.ie.embnet.org)

Canadian Bioinformatics Resource, Institute for Marine Biosciences (http://www.cbr.nrc.ca)

Bioinformatics Groups University of Waterloo (http://wh.math.uwaterloo.ca/bioinfo_res.html)

КИТАЙ

Information Network Center, The Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences (http://www.im.ac.cn)

Center of Bio-Informatics, Peking University, China (EMBnet China Node) (http://www.cbi.pku.edu.cn)

МАЛАЙЗИЯ

MSC-BIT, Universiti Putra Malaysia (http://www.angis.upm.edu.my)

Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) Center for Gene Analysis and Technology (CGAT), UKM Virtual Protein Laboratory (http://www.fsh.ukm.my/cgat)

НИДЕРЛАНДЫ

National CAOS/CAMM Center for Molecular and Biomolecular Informatics The Netherlands (http://www.caos.kun.nl/index.html)

The Norwegian EMBnet Node (http://biomaster.uio.no)

University of Bergen, Bioinformatics group at Department of Informatics, Norway (http://www.ii.uib.no/bio)

СИНГАПУР

Bioinfromatics Center at National Uninversity of Singapore (http://www.bic.nus.edu.sg)

National Center for Biotechnology Information (http://www.ncbi.nlm.nih.gov)

The Center for Bioinformatics NASA Ames Research Center (http://biocomp.arc.nasa.gov/still)

The BioMolecular Engineering Research Center (BMERC) Boston University (http://bmerc-www.bu.edu)

AGIS-Agriculture Genome Information Server. (http://probe.nalusda.gov:8000)

CMS Molecular Biology Resource (San Diego Supercomputer Center, San Diego CA) (http://www.sdsc.edu/ResTools/cmshp.html)

Center for Bioinformatics & Computational Genomics Berley Lab (http://cbcg.lbl.gov)

Center for Bioinformatics University of Pensylvania (http://www.pcbi.upenn.edu)

Plant Genome Bioinformatics at the USDA/ARS Center for Bioinformatics and Comparative Genomics, Ithaca, NY (http://grain.jouy.inra.fr/Job/p160.html)

National Center for Genome Research (http://www.ncgr.org)

The National Human Genome Institute (NCHGI) (http://www.nhgri.nih.gov/index.html)

Center for Bioinformatics University of California Los-Angeles (http://www.bioinformatics.ucla.edu/facilities/center.htm)

US/PA - 3 Bioinformatics Staff at UPenn Center for Bioinformatics (http://www.bioplanet.com/chat/jobs/messages/115.htm)

NetSci's Science Center: Bioinformatics (http://www.netsci.org/Science/Bioinform/top.html)

Bayesian Bioinformatics Program at the Biometrics Laboratory of Wadsworth Center. (http://www.wadsworth.org/resnres/bioinfo)

Center for Genomics and Bioinformatics University of Cincinnati (http://genome.uc.edu/genome)

The Institute for Genomic Research (TIGR) (http://www.tigr.org)

IUBio - Indiana University Bioinformatics (http://iubio.bio.indiana.edu)

Brookhaven National Laboratory (http://www.pdb.bnl.gov)

Brutlag Bioinformatics Group, Biochemistry Department at Stanford University (http://dna.stanford.edu)

Structural Bioinformatics Inc. San Diego, CA (http://www.strubix.com/sbi.html)

Geospiza, Inc. Seattle WA (http://www.geospiza.com)

DeCypher Bioinformatics Supercomputer at Stanford University (http://decypher.stanford.edu)

The Bioinform Web Site (http://www.bioinform.com)

Bioinformatics at National Health Research Institutes (Taiwan) (http://www.nhri.org.tw/en/mis/bioinfo.htm)

BIO-INFORMATICS The Official Bioinformatics Web Site in Thailand (http://bioinfo.biotec.or.th)

INFormatics for BIOmolecules and GENomes, a French national centre for Bioinformatics (http://www.infobiogen.fr/page_accueil_en.html)

CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON 1 Institut de Biologie et Chimie des Protйines (http://www.ibcp.fr)

Gene-IT SA BioInformatics company (http://www.gene-it.com)

Bienvenue sur le serveur du groupe de recherche b3e (Paris, France) (http://www.b3e.jussieu.fr/index_eng.html)

ФИЛЛИПИНЫ

IRRI - International Rice Research Institute, Los Banos, Philippines (http://www.cgiar.org/irri)

Swiss Institute of Bioinformatics (SIB) (http://www.isb-sib.ch)

ExPASy Molecular Biology Server (http://expasy.hcuge.ch)

Geneva Bioinformatics - BioInformatics company (GeneBio) S.A. (http://www.genebio.com)

BRIC, Biological Research Information Center (Korea) (http://bric.postech.ac.kr)

Institute for Molecular Biology and Genetics, Seoul National University (http://imbg.snu.ac.kr)

ЮЖНАЯ АФРИКА

The South African National Bioinformatics Institute (http://www.sanbi.ac.za)

Human Genome Center (Japan) at Institute of Medical Science, University of Tokyo.

GenomeNet of Japan - WWW Server Institute for Chemical Research, Kyoto University Human Genome Center, Institute of Medical Science, University of Tokyo (http://www.genome.ad.jp)

DNA Data Bank of Japan (DDBJ), National Institute of Genetics (http://www.ddbj.nig.ac.jp)

National Cancer Centre (http://bioinfo.ncc.go.jp)

JCM RIKEN (Japan Collection of Microorganisms, The Institute of Physical and Chemical Research, Saitama) (http://www.jcm.riken.go.jp)

Наряду с государственными, академическими и образовательными центрами биоинформатики, которые бесплатно предоставляют свои ресурсы для всеобщего использования, в последние годы возникло значительное число организаций и проектов, ориентированных на коммерческое использование результатов исследований в области биоинформатики. Это, прежде всего – организации, деятельность которых ориентирована на структурный, функциональный и сравнительый анализ геномов и эксперессируемых продуктов для вирусов, бактерий и эукариот (растений и животных), включая человека. Примером такой организации является TIGR (The Institute for Genomic Research), расположенный в Роквилле неподалеку от Вашингтона (http://www.tigr.org/). Этот институт принимает участие в секвенировании генома человека (хромосома 16), поддерживает несколько собственных баз данных по нуклеотидным и аминокислотным последовательностям, обеспечивает эффективную работу через Интернет со многими базами данных, расположенными в различных странах, включая полностью расшифрованные микробные геномы (Archaeoglobus fulgidus, Borrelia burgdorferi, Haemophilus influenzae, Helicobacter pylori, Methanococcus jannaschii, Mycobacterium tuberculosis, Mycoplasma genitalium, Thermotoga maritima, and Treponema pallidum).

Интенсивно развивается и индустрия программного обеспечения. Наряду с академическими компьютерными программами появляются их коммерчески доступные версии. Так, например, недавно SGI оптимизировал алгоритмы, используемые BLAST, для Origin2000 (http://www.sgi.com/education/ campus_success/toronto.html), MDL (http://www.mdli.com) разработал интегрированную среду Life Science Workbench и оптимизировал комплекс программ полекулярного моделирования SCULPT, Oxford Molecular разработал целую серию работающих на UNIX-платформах программных продуктов для биоинформатики (Wisconsin Package, SeqLab, SeqStore, SeqWeb, OMIGA), и т.д. Стоимость приобретения лицезий на использование каждой из перечисленных (и аналогичных) комптьютерных программ составляет десятки и даже сотни тысяч долларов.

Несмотря на то, что сам термин (молекулярная) "биоинформатика" появился лишь в 1993 году, уже создано Международное общество ученых, работающих в области биоинформатики "International Society for Computational Biology" (http://iscb.org/) и специализированный журнал "Bioinformatics" .

Проекты в области биоинформатики активно финансируются фармацевтическими и биотехнологическими фирмами и научными фондами. Так, например, Genometrix получил недавно грант в 1,6 млн долл США для разработки эффективного метода анализа генетических различий от National Institute of Environmental Health Sciences и National Human Genome Research Institute (Investigational Drugs Weekly Highlits, 18 November 1998, p.22). Burroughs Wellcome Fund объявил в № 7/8 журнала "Bioinformatics" за 1999 год о конкурсе грантов по функциональной геномике, включая разработку компьютерных методов для извлечения существенных данных из геномов и экспрессируемых последовательностей и для определения структурно-функциональных взаимосвязей путем синтеза информации, представленной в различных банках данных по экспрессируемым геномам и модельным системам. Общая сумма, выделенная на гранты, составляет 3 млн долл. США, на 1 проект выделяется 200 тыс. долл. США. К сожалению, эти гранты поддерживают работы только ученых из США и Канады.

Между крупными фармацевтическими компаниями и венчурными фирмами, специализирующимися в области биоинформатики, заключаются соглашения о сотрудничестве. Так, например, с 1999 г. Schering Plough финансирует работы Genome Therapeutic по определению генов (мишеней), которые могли бы быть использованы для разработки противоастматических лекарств (Investigational Drugs Weekly Highlits, 10 February 1999, p.14); Roche Bioscience подписал с Deltagen Inc. соглашение о сотрудничестве в области выявления мутаций, вызывающих некоторые болезни, и идентификации мишеней новых лекарств (Investigational Drugs Weekly Highlits, 13 January 1999, p.14); Fujisawa Pharmaceutical заключила соглашение на 19 млн. долл. США с Quark Biotech на поиск новых мишеней лекарств для терапии инсультов (Investigational Drugs Weekly Highlits, 14 April 1999, p.14), и т.д.

Таким образом, в настоящее время за рубежом биоинформатика превратилась в бурно растущую область науки, как в плане разработки и реализации программного и информационного обеспечения для эффективной обработки огромных массивов нуклеотидных и аминокислотных последовательностей, так и применения разработанных методов к решению прикладных задач по поиску и оценке макромолекул-мишеней действия новых лекарств.

5. СОСТОЯНИЕ БИОИНФОРМАТИКИ В РОССИИ

Биоинформатика относится к интеллектуальным (высокотехнологичным) разделам науки, где получаемые результаты в значительной степени зависят от развитого творческого мышления ученых, а не определяются в основном затратами на их техническую вооруженность. Таким образом, учитывая достаточно высокий интеллектуальный и образовательный уровень российских ученых и практическую невозможность больших финансовых затрат в современной экономической ситуации, биоинформатика имеет все основания стать одним из приоритетных направлений науки в Российской Федерации.

Для этого имеются серьезные предпосылки так как, несмотря на отъезд многих известных ученых и специалистов за рубеж, работы в этой области продолжаются в ряде лабораторий.

Перечень ряда Институтов, где в настоящее время ведутся работы по отдельным разделам биоинформатики приведен ниже:

ВНИИ "Генетика" (Москва)

Институт белка РАН (Пущино)

Институт биоорганической химии РАН (Москва)

Институт молекулярной биологии РАН (Москва)

Институт молекулярной генетики РАН (Москва)

НИИ биомедицинской химии РАМН (Москва)

Институт физико-химической биологии МГУ им. А.Н.Белозерского (Москва)

Институт цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск)

Научно-исследовательский центр «Биоинженерия» РАН (Москва)

Химический факультет МГУ (Москва)

 

Web-сайты по биоинформатике в Интернете имеют следующие институты:

НИИ биомедицинской химии РАМН (Москва) – http://www.ibmh.msk.su/bioinform

Институт физико-химической биологии МГУ им. А.Н.Белозерского – http://www.genebee.msu.su/

Институт цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск) - http://wwwmgs.bionet.nsc.ru/mgs/

Ряд оригинальных компьютерных программ и банков данных, созданных российскими учеными, приведен на этих web-сайтах: