Компьютерное моделирование молекулярно-генетических и биохимических процессов

Компьютерное моделирование молекулярно-генетических и биохимических процессов является самым молодым и перспективным направлений в развитии биомедицинских наук. В данной области знаний продолжается дифференциация наук по предмету и объекту исследований. Компьютерным моделированием молекулярно-генетических и смежных процессов занимаются такие науки как биоинформатика, системная биология, геномика, эволюционная генетика, протеомика, транскриптомика, метаболомика и другие, еще более узкоспециализированные дисциплины, в каждой из которых работают тысячи и десятки тысяч исследователей. Такой высокий уровень дифференциации наук связан с колоссальной сложностью и огромным объемом молекулярно-генетических данных. Например, работа с последовательностью ДНК даже простейших эукариот - дрожжей S. cerevisiae – не была бы возможна без использования компьютерных методов, не говоря уже о геноме человека.

Для примера, в таблице представлены задачи, решаемые биоинформатикой.

Источник данных	Объем данных	Задачи
Секвенированные последовательности ДНК	~40 млн. последовательностей, 1012 пар оснований	Функциональная аннотация
Белковые последовательности	~5.5 106 последовательностей (~300 аминокислот каждая)	Сравнительный анализ. Выявление консервативных мотивов
Структуры макромолекул	50000 структур (~3000 атомных координат каждая)	Предсказание, выравнивание, измерение геометрии, докинг
Геномы	Около 1200 геномов прокариот, более 160 геномов эукариот	Сборка полных геномов; Функциональная аннотация; Сравнительный анализ
Экспрессия генов в различных тканях, стадиях развития, состояний организма и т.д.	Сотни тысяч образцов c тысячами вариантов измерений для десятков тысяч генов. ~1013 измерений.	Анализ механизмов регуляции коэкспрессирующихся генов. Связь с последовательностями, структурными и биохимическими данными.
SNP (однонуклеотидные мутации в ДНК)	Только одна база данных dbSNP содержит информацию о 108 мутациях в 23 геномах.	Анализ связи с заболеваниями
Молекулярные взаимодействия, метаболические пути и генные сети	Более 106 молекулярных взаимодействий описано в публикациях. Более ста тысяч метаболических путей и генных сетей представлено в базах данных.	Моделирование молекулярно-генетических процессов и систем
Публикации	Десятки миллионов публикаций	Поиск и извлечение знаний

Знание пространственной организации белковых молекул является ключом не только к пониманию их функций и механизма работы, но и основой для разработки эффективных и безопасных лекарственных средств. В то же время, определять структуру белков в прямом эксперименте не всегда возможно или целесообразно — из-за сложности, дороговизны и ограниченности возможностей экспериментальных методик. Однако иногда удаётся преодолеть эти сложности, подойдя к проблеме «с другого конца»: структуру биомакромолекул можно «предсказать», используя теоретические подходы — основанные на физических или эмпирических приближениях. В этой статье даётся теоретическое обоснование возможности «предсказывать» структуру белков и коротко рассматриваются основные подходы к этой задаче.

Фармацевты и врачи, например, заинтересованы в производстве и выпуске на рынок новых поколений лекарственных средств. Однако в наше время уже нельзя рассчитывать на случайный успех, и нужно хорошо разбираться в молекулярных механизмах действия проектируемого лекарства, — направленного, скорее всего, на взаимодействие с каким-нибудь белком (рецептором или ферментом) в человеческом организме. Проектирование нового лекарства с учётом атомарного строения молекул-«мишеней», на которые это лекарство будет действовать — наукоёмкий и сложный процесс, называемый драг-дизайном.

Молекулярно-генетические данные хранятся в специализированных банках данных (все на английском языке):

- крупнейшая база генетических данных – GeneBank;

- удобная в навигации база генетических последовательностей – Ensembl

- удобный доступ к полным геномам через сайт Европейского института биоинформатики - http://www.ebi.ac.uk/genomes/

- крупнейший банк белковых данных – UniProt.org

- крупнейший банк данных о структуре биологических макромолекул http://www.pdb.org/