Журнал "Компьютерра" №712

Выпускник кафедры биофизики биофака МГУ, кандидат физ.-мат. наук, научный сотрудник Института биоорганической химии РАН (Лаборатория моделирования биомолекулярных систем), администратор и редактор интернет-журнала о современной биомолекулярной науке "Биомолекула".

biomolecula.ru

Понятие об атомарной структуре материи восходит к античности - его приписывают философу Демокриту. Однако внимание научного мира сосредоточилось на проблеме строения вещества лишь в средние века, когда Иоганн Кеплер размышлял о симметрии снежинок и симметричной упаковке сферических объектов (задаче, которая получила решение лишь недавно). В начале XIX века Джон Дальтон уже говорил об атомах как о реальных частицах различных масс и размеров, а ближе к середине столетия австрийский ученый Йозеф Лошмидт изображал молекулы в виде набора соприкасающихся окружностей. Создание первой пространственной модели молекулы (это был метан) приписывается Августу Вильгельму Хофману, однако важнейшая концепция химической науки - стереохимия - была заложена Якобом Хендриком Вант-Гоффом, обратившим внимание на тетраэдрическую форму атома углерода в метане. В ХХ веке развитие химии и рентгеновской кристаллографии привело к фундаментальным открытиям - установлению пространственной структуры молекул ДНК и белков, - и задача адекватного представления структуры биологических молекул, особенно сложных, стала насущной. Были разработаны "конструкторы" для сборки молекулярных моделей (некоторые из них до сих пор являются отраслевым стандартом), а прогресс в вычислительной технике и технологиях изготовления компьютерных дисплеев привел к появлению программ для визуализации и изучения биомолекул [См. статью "На заре молекулярной графики" в интернет-журнале "Биомолекула"].

Несмотря на колоссальный прогресс в области молекулярной компьютерной графики за последние десять-двадцать лет, "физические" модели молекул не утратили своего значения. Эдгар Мейер, один из персонажей нашего рассказа, отметил некоторую ущербность компьютерной графики: "Первое знакомство c биомолекулами научило меня благоговению перед Природой на молекулярном уровне. Компьютерная графика, хоть и привлекает своей цветной динамичностью, неспособна полностью передать всю трехмерную прелесть молекул".

Трехмерное прототипирование

Первые модели структуры белков конструировали из большого числа шариков, проволочек, втулок, винтиков и других деталей. Они были очень громоздки, хрупки и требовали огромного времени и усердия для изготовления, даже при использовании специальных "конструкторов" - наборов стандартных деталей для сборки. В настоящее время компьютеры почти полностью заменили такие конструкторы, но ведь возможность взглянуть на модель молекулы не только на компьютерном экране, но и "в реале" помогает лучше понять ее функцию и оценить красоту!

Одним из современных методов производства "твердых" моделей молекул (про "конструкторы" мы подробно говорить не будем1) является трехмерное прототипирование - способ изготовления объемных макетов любых объектов, используемый, в частности, в промышленном дизайне. Изготавливаются модели на автоматизированных установках (в том числе управляемых через Интернет), входными данными для которых является CAD-файл или файл с координатами атомов белка в общепринятом формате pdb. Одна из компаний, предлагающих изготовить "твердую" модель белка - 3D Molecular Designs (3dmoleculardesigns.com), - располагает целым арсеналом технологий прототипирования: стереолитография, избирательное спекание лазером, ламинирование, моделирование путем последовательного наплавления и трехмерная печать. Последняя технология аналогична струйной печати с той лишь принципиальной разницей, что вместо чернил используются полимеризующиеся композиты. На подложку наносится слой за слоем, пока модель не будет готова. Трехмерная печать превосходит другие технологии прототипирования в скорости, но не всегда - в качестве. Для молекулярных макетов очень важна правильная раскраска атомов, и только трехмерная печать позволяет сразу получать цветные объекты (за счет использования разноцветных "чернил"). Модели, созданные с помощью других технологий, после изготовления необходимо красить.

Преподаватели отмечают, что подобные модели чрезвычайно полезны в обучении, ведь если студент сможет подержать в руках молекулу хемотрипсина, гемоглобина или рибосомы, он немедленно, на интуитивном уровне, почувствует, как структура белка связана с его функцией - а ведь это один из важнейших аспектов молекулярной биологии!

Русские идут в 3D