В этом году Институт математических проблем биологии РАН отмечает свое 50-летие. Основанный для внедрения вычислительных методов в биологию, он быстро вырос в самостоятельную научно-исследовательскую организацию. Актуальность тем, которыми занимаются в институте, находится на передовой линии развития мировой науки.

Биология на 95 % наука экспериментальная. Но во второй половине прошлого века стало очевидно, что для дальнейшего развития исследований необходима математика. Появилась техника, позволявшая «видеть» структуры сложных биомолекул и остро встал вопрос об использовании математических методов для обработки данных. По инициативе президента Академии наук Мстислава Келдыша в 1972 году выходит Постановление Президиума АН СССР № 207 об организации Научно-исследовательского вычислительного центра Академии наук СССР – НИВЦ АН СССР во главе с директором Альбертом Молчановым.

По замыслу организаторов, центр должен был заниматься разработкой математических и вычислительных методов для изучения биологических систем и обеспечением вычислительными ресурсами научных сотрудников Пущинского центра биологических исследований РАН. 

Постепенно здесь сформировался дружный коллектив из талантливых математиков, программистов и биологов, которые совместными усилиями ставили и решали сложные задачи биологии с применением методов математики.

В 1992 году НИВЦ был преобразован в Институт математических проблем биологии – ИМПБ РАН.

Институт положил начало направлению «Математическая биология и биоинформатика» в России. В ИМПБ разработаны и успешно применяются уникальные подходы к расшифровке сложных белковых молекул. Развивается биоинформатика и нанобиоэлектроника, выполняется проект «Математическая клетка». Созданы средства диагностики патологий и картирования функциональной структуры коры и глубоких разделов мозга по данным магнитной энцефалографии.

С 2006 года институтом организуется Международная конференция «Математическая биология и биоинформатика» и издается электронный научный журнал «Математическая биология и биоинформатика», который входит в перечень ВАК и в мировые системы цитирования.

В 2016 году ИМПБ стал частью Федерального исследовательский центра Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН. Это расширило доступ научным сотрудникам к вычислительным ресурсам, позволило зайти на более сложные расчетные задачи. Сейчас в институте десять лабораторий. Расскажем о научных исследованиях в некоторых из них.

Моделирование для биологии

Еще весной 1966 года на семинаре, посвященном математическим вопросам естествознания, Эммануил Эльевич Шноль, возглавивший позже лабораторию вычислительной математики НИВЦ, предложил «посмотреть» на структуру жидкости, рассчитав взаимодействие и движение молекул с помощью вычислительной машины. Так начался один из первых в СССР проектов по компьютерному моделированию молекулярной динамики, в котором принял участие и молодой ученый Николай Балабаев. А спустя 40 лет на слайдах канадского профессора Университета Ватерлоо в пятерке научных статей, лежащих в основе молекулярной динамики, Николай Кириллович обнаружил свою статью опубликованную в Докладах Академии наук.

«Эта работа была моей дипломной. Выполнена она была под руководством Эммануила Эльевича Шноля и Аллана Георгиевича Гривцова. Я познакомился с ними, когда пришел на кафедру в Институт прикладной математики в 1969 году. Так определилась моя судьба, я стал заниматься молекулярной динамикой. По результатам диплома был выпущен препринт и в 1975 году в Докладах Академии наук была опубликована эта работа, которая стала известной. Эта тема вместе со мной пришла в наш институт», – вспоминает Николай Балабаев.

С 1996 года Николай Кириллович возглавляет лабораторию молекулярной динамики. Сегодня методы молекулярной динамики являются основой вычислительной биологии. Они играют важную роль в определении структур и уточнении свойств белков. А это один из основных мировых трендов развития науки сегодня. Современное развитие вычислительной техники позволяет моделировать динамику молекулярных систем, состоящих из огромного числа частиц с большим набором параметров, имитирующих физический эксперимент. В лаборатории Балабаева созданы специальные программные средства для этих расчетов. Благодаря развитию компьютерных технологий и графических методов анализа, эффективность применяемых методов молекулярно-динамического моделирования неуклонно возрастает.

Обработка изображений

В конце 90-х годов в стране было сложное время. К ученым из Института биофизики клетки и Института математических проблем биологии обратились медики с просьбой разработать систему беспленочной медицинской рентгенографии. Актуальность задачи была обусловлена высокой стоимостью рентгеновской пленки и сокращением ее производства. Со стороны ИМПБ разработкой решения занялась группа под руководством Михаила Устинина. 

В течении года совместно с коллегами из ИБК была сделана система из воспринимающего устройства для получения снимков без рентгеновской пленки, компьютера и самое главное – программы для работы с цифровыми изображениями. Компьютерная программа позволяла получать цифровой снимок с помощью воспринимающего устройства, просматривать его на экране монитора, обрабатывать, хранить на диске, передавать по сети и распечатывать на обычной бумаге. Это был один из первых проектов телемедицины, реализованных в нашей стране. Система стабильно работала в медицинских учреждениях свыше 15 лет. Разработчики получили Золотую медаль с отличием на Международной выставке изобретений в Брюсселе, а также медали ВДНХ и Московского Международного салона инноваций и инвестиций.

Сегодня в Отделе перспективных информационных технологий под руководством Михаила Николаевича занимаются разработкой методов анализа данных магнитной энцефалографии. Они позволяют получить пространственную структуру активности головного мозга. Это важно для исследования различных психических расстройств.

Ученые смогли проанализировать и записи активности нервной и мышечной системы полученной с помощью магнитной энцефалографии. На основании измерений исследователи создали трехмерную компьютерную модель, которая отображала все изменения электрической активности клеток в организме человека.

«С помощью нашего метода удалось успешно реконструировать трехмерную функциональную структуру мозга, сердца, мышц шеи и кисти руки. Полученные 3D-модели хорошо согласуются с анатомическими данными, при этом они несут прямую информацию об электрической активности тела человека. Метод может применяться в том числе для точной локализации болевых ощущений», – рассказал Михаил Устинин, руководитель Института математических проблем биологии РАН.

Исследования очень важны для диагностики. Быстрый анализ позволяет обнаружить признаки заболевания нервной, мышечной и сердечно-сосудистой систем. Одна из особенностей этого метода – возможность записи и отслеживания данных в реальном времени.

ДНК-электроника

Развитие вычислительной техники постоянно требует миниатюризации элементной базы. Ведущие ученые занимались и занимаются этой проблемой много лет. Одной из высказываемых идей альтернативного развития электроники является предложение использовать в качестве транзисторов биологические молекулы. В свете открытий последних лет ДНК становится главным разрабатываемым компонентом нанобиоэлектроники.

Виктор Лахно, научный руководитель ИМПБ РАН, руководитель лаборатории квантово-механических систем: «Есть непрекращающиеся дебаты о том, что такое жизнь. Есть мнение что первый это вирус, а вирус это ДНК или РНК. Мы моделируем ДНК – саму жизнь. Оказалось, что на основе ДНК можно строить и искусственные системы. Наша лаборатория предлагает строить электронику на основе ДНК».

Лахно занимается разработкой теоретических основ нанобиоэлектроники с 80-х годов. Важной задачей было рассчитать проводимость ДНК. Оказалось, что при разных температурах биомолекула может вести себя и как изолятор и как металл и даже как сверхпроводник. Лахно была построена теория переноса электрона в биополимерах (ДНК и белках). Это фундаментальное обоснование для уже непосредственного конструирования электронных устройств на основе ДНК.

В 2016 году за данный цикл работ Виктору Дмитриевичу была присуждена премия РАН имени А. Н. Крылова. В этом, 2022, году одно из ведущих мировых издательств научной литературы De Gruyter выпустило его книгу High-Temperature superconductivity. Сейчас в лаборатории квантово-механических систем, которой руководит Виктор Лахно, делаются расчеты памяти на основании ДНК.

«С этой молекулой связаны очень серьезные перспективы решения проблемы хранения информации. Это самый долгосрочный и плотный хранитель информации известный человечеству, ни одна кремниевая технология не дает такой эффективности. Мы сейчас разрабатываем формулу как долго и при каких критических температурах можно хранить на ДНК информацию», – рассказывает Лахно.

Биоинформатика

Исследования в области биоинформатики в институте ведутся непрерывно с начала 80-х годов 20-го века, когда в мире утвердилось новое направление компьютерной биологии, связанное с появлением экспериментальных методов секвенирования и первых компьютерных программ для анализа нуклеотидных последовательностей. За это время в ИМПБ РАН было создано множество оригинальных алгоритмов и прикладных программ для изучения структурно-функционального строения геномов, с их помощью получены интересные результаты.

Нафиса Назипова, руководитель лаборатории биоинформатики ИМПБ РАН, объясняет: «До недавнего времени считалось, что главное содержание генома – это гены, кодирующие белки в процессе трансляции матричной РНК. В результате секвенирования генома человека было определено, что в геноме Homo sapiens, длина которого приблизительно равна 3 Гб, содержится около 20 тысяч генов, кодирующих белки, что составляет меньше 2 % от общей геномной последовательности. Остальную часть генома тогда назвали мусорной, или эгоистичной ДНК. Когда позднее выяснилось, что эукариотический почвенный червь длиной 1 мм Caenorhabditis elegans, геном которого в 30 раз короче человеческого (100 Мб), имеет такое же количество белковых генов, стало очевидно, что сложность развития и физиологическая сложность биологического организма не может находиться в прямой зависимости от количества белок-кодирующих генов. Необходимо выяснить, что закодировано в некодирующей части генома».

Экоинформатика

Особенно важным сегодня направлением исследований занимается лаборатория вычислительной экологии. Это экоинформатика и моделирование биоразнообразия в наземных экосистемах. С начала 2000-х годов информацию о биоразнообразии, которую накапливали разные центры по всему миру, ученые начали собирать в глобальные международные базы данных. Встали вопросы стандартизации. Для решения этой задачи сотрудники лаборатории поддерживают и развивают международную инфраструктуру для хранения и публикации национальных данных о биоразнообразии, которая уже объединила базы более 60 российских организаций. На основе собранных глобальных данных сотрудники лаборатории проводят различные аналитические исследования. Например, совместно с коллегами из-за рубежа, проанализировали тренды изменений сроков наступления и длительности фенологических явлений в связи с изменениями климата и многое другое. Другая, тоже большая тема, которой занимаются в лаборатории, построение моделей.

«Например, в нашей лаборатории строятся модели для оценки состояния популяции белоплечих орланов. Это огромные красивые птицы, которые гнездятся только на Дальнем Востоке на территории России. Модель позволяет оценить динамику численности этих редких птиц. Делаем мы и модели динамики разнообразия лесной растительности», – рассказала Лариса Ханина, руководитель лаборатории вычислительной экологии ИМПБ РАН.

*  *  *

Развитие биологии ставит перед математиками все новые задачи. Технологии сегодня дают возможность работать с огромным объемом данных. Научные сотрудники Института математических проблем биологии принимают вызов, разрабатывают новые подходы. создают новые методы и программы.

Источник: ИМПБ РАН.