Компьютерное проектирование противовирусных белков может предупредить очередную пандемию

Билл Гейтс считает, что есть три основных угрозы для нашего вида: ядерная война, изменение климата и очередная глобальная пандемия. Выступая на конференции в Мюнхене, посвященной готовности к пандемии, Гейтс напомнил нам, что «сам факт того, что глобальной пандемии не случалось в новейшей истории, не стоит принимать как намек на то, что ее не случится в будущем».

Если мы хотим быть готовы к худшему, говорит Гейтс, «в первую и самую важную очередь нам нужно построить арсенал нового оружия — вакцин, лекарств и диагностических инструментов».

Некоторые ученые нынче используют компьютеры именно с этой целью.

За пределами иммунитета

Несмотря на доступность прививок от гриппа, Всемирная организация здравоохранения сообщает, что сезонный грипп по-прежнему несет ответственность за миллионы серьезных случаев заболевания и порядка полумиллиона смертей ежегодно. Неполная эффективность ежегодных прививок от гриппа, наряду с долгим временем производства и ограниченностью, говорит, что необходимы новые методы борьбы с гриппом.

И это только сезонный грипп. Пандемия гриппа вроде испанки 1918 года снова может погубить десятки миллионов людей за один год.

Антитела, естественная часть иммунной системы, находятся на фронте борьбы против вирусов. Работа антител состоит в выявлении и физическом устранении вторженца вроде гриппа. Человеческие антитела бивалентны, то есть имеют две руки, которыми могут хвататься за цель.

Под микроскопом грипп выглядит как крошечный шарик с шипами. При помощи шипов на поверхности он проникает в человеческую клетку. Тесно цепляясь за эти шипы одной рукой, антитела могут предотвращать проникновение частиц гриппа в клетки. Но с каждым годом грипп быстро обзаводится мутациями в белках своих шипов, что приводит к тому, что цепкие руки наших антител уже не признают вирус.

Ученые давно ищут универсальную вакцину от гриппа — которую не придется пересоздавать каждый год. Как правило, попытки произвести ее включают создание неинфекционных двойников гриппов в надежде, что они подготовят иммунную систему к атаке, когда реальный штамм гриппа нападет. Несмотря на определенный прогресс, ученые пока не смогли заставить иммунную систему защищаться от всех штаммов гриппа, и угроза глобальной пандемии все еще остается.

Программное обеспечение по борьбе с гриппом

Компьютерное проектирование белков предлагает другой способ. Вместо того чтобы полагаться на иммунную систему для генерации белков антител, способных бороться с вирусом, компьютерное моделирование может позволить быстро создавать противовирусные белки, способные уничтожать смертельный вирус.

В отличие от вакцины, этот класс препаратов можно будет приспособить для лечения существующей инфекции или для предотвращения будущей. И поскольку эти дизайнерские белки работают независимо от иммунной системы, их потенциал не зависит от состояния иммунной системы — и это полезное свойство для слабой иммунной системы, которая подвержена высокому риску заражения.

Компьютерные противовирусные белки работаю так же, как и естественные белки в нашей иммунной системе. Имея поверхности, которые химические комплементарны целям, противовирусные белки могут тесно цепляться за конкретный вирус. Если белок правильным образом крепится к вирусу, он может физически блокировать передвижение вируса, предотвращая возникновение инфекции.

За счет разработки противовирусного белка на компьютере, создания его в лаборатории и последующего введения в тело, можно эффективно оцифровать часть иммунной системы.

В 2016 году произведенные на компьютере белки оказались эффективнее, чем озельтамивир, в спасении мышей от смертельной инфекции. Одна доза дизайнерского белка, вводимого внутренне, была эффективнее 10 доз Тамифлю, препарата, который считается «важнейшим» по мнению ВОЗ из-за его противогриппозного действия. Более того, эти компьютерные антигриппозные белки защищали мышей от самых разных штаммов гриппа. Попытки провести эти многообещающие результаты через одобрение FDA уже предпринимаются.

В недавно опубликованной статье в Nature Biotechnology ученые из Института дизайна белка при Вашингтонском университете пошли еще дальше и продемонстрировали новый способ борьбы с гриппом: они использовали компьютерное моделирование для создания совершенно нового вида противовирусных белков с тремя цепкими руками.

Почему три? Оказывается, оболочки многих смертельных вирусов — грипп, Эбола и ВИЧ — выстраивают белковые шипы из трех симметричных частей.

Один антивирусный препарат с тремя правильно расположенными руками должен быть в состоянии захватить каждую часть каждого белка шипа, прочно его связав. Этот геометрический подвиг лежит за пределами того, на что способна иммунная система человека.

Слева: кончики белковых шипов многих вирусных белков состоят из трех симметричных частей, одна выделена розовым. Справа: новый трехрукий противогриппозный белок (синий) связывает шип вируса гриппа

Стратегия дизайна сработала. Лучший трехрукий белок под названием Tri-HSB.1C смог тесно связываться с различными штаммами гриппа. При введении мышам он также давал полную защиту от смертельного вируса гриппа за счет небольшой потери веса. Сейчас ученые пытаются применить те же инструменты для Эбола.

Пройдет много лет, прежде чем эти технологии будут одобрены для использования на людях. Впрочем, возможно, ждать придется не так долго.

Вирусная диагностика

Покрыв полоску бумаги трехруким борцом с гриппом и наложив образцы гриппа сверху, те же ученые смогли обнаружить присутствие вирусных поверхностных белков даже при очень низких концентрациях. Эта проверка концепции может превратиться в надежный и доступный диагностический инструмент для полевого определения различных вирусов в слюне или крови. Как и тест на беременность, бумажная полоска могла бы выявлять грипп. Или Эбола. Или очередную быстро распространяющуюся по миру пандемию.

В послании 2015 года в New England Journal of Medicine Билл Гейтс описал отсутствие подготовки со стороны мирового сообщества как «глобальный провал».

«Возможно, единственной хорошей новостью после трагической эпидемии Эбола станет то, что она послужит нам звонком пробуждения».

Если глобальная вирусная пандемия вроде испанки 1918 года снова нагрянет, противовирусное программное обеспечение может сыграть важную роль и спасти миллионы жизней.