Познавач на невидимия свят търси враг на коронавируса с компютърни симулации и суперкомпютри

Actualno.com разговаря с изследователя на невидимия свят – специалистът по физика на елементарните частици, преподавател в катедра "Атомна физика" на СУ "Св. Кл. Охридски" и ръководител на българския екип в Европейския център за ядрени изследвания (ЦЕРН) проф. Леандър Литов. В подземния адронен ускорител на ЦЕРН, който е най-големият в света, той заедно със своите колеги успя да "улови" т.нар. "божествена частица" – Хигс бозон, свързана с механизма на генериране на маса на частиците в познатия ни свят, заемащ едва 4% от Вселената и се насочи към изследване на структурата и съставляващите т.нар. "тъмната материя". Провокиран от настъплението на коронавируса, българският учен вече търси начин за борба с COVID-19.

Още: Извънземни и косатки с ножове. Откритие в пустинята изплаши учените

Още: Пъб в английска провинция е обитаван от призраци, твърдят местни

Проф. Литов, в сравнение с елементарните частици, с които се занимавате, невидимият коронавирус сигурно е великан, но не непобедим, нали?

О, да, като размер - сигурно. Иначе, без съмнение ще се справим и с този вирус, въпросът е колко бързо и на каква цена.

Ние се опитваме да разберем как е устроена Вселената, как се е раждала, как се е развивала, какво се е случвало през първата една секунда от нейния живот. Борбата с коронавируса е нещо не по-малко интересно и не по-малко важно. Опитваме се да разберем как е устроена живата материя и как функционира тя в нейното единство, защото не сме само ние - като започнем от вируси, които не е много ясно дали трябва да ги разглеждаме като живи или неживи и се стигне до такива сложни организми, каквито сме ние - хората. Методите, които се използват в тези различни области на познанието са едни и същи. В търсенето на лекарство срещу COVID-19, например, ние ще правим компютърни симулации на взаимодействието на някакви малки молекули с протеините, които се произвеждат от коронавируса.

Още: Партените: Незаконните деца на войната на Спарта

Още: Този рядък минерал е по-стар от Земята

Това, което стои зад подобни симулации, е целият натрупан опит във физиката, това е преди всичко физика, защото тези взаимодействия са чисто физически. Огромният опит, натрупан в областта на информационните и комуникационни технологии, огромният опит, натрупан в използване на сложни компютърни системи за решаване на физически задачи, огромният опит в решаване на сложни системи от диференциални уравнения… - всичко това, което е развивано за нуждите на физиката и математиката, в момента се прилага в биологията и съм оптимист, че ще успеем.

Повлия ли коронавирусът работата ви?

Естествено. ЦЕРН беше затворен и всякаква активност, свързана с провеждане на дейности на територията му, е преустановена. Има малки екипи, които поддържат и контролират състоянието на инфраструктурата. Но това не означава, че сме спрели работа - активно се провежда анализ на натрупаните вече данните, развива се софтуера, в ред лаборатории в света продължава подготовката и тестовете на ново оборудване, което предстои да се инсталира в ЦЕРН. Колаборацията CMS (детектора на елементарни частици Компактен мюонен соленоид) провежда тази седмица онлайн конференция. В тази колаборация участват учени от 55 държави. Последните два часа във видеоконферентна връзка направихме преглед на отражението на пандемията - къде какви ограничения са въведени, къде работят, къде не работят хората, какво става със задачите, които имат по CMS, къде ги изпълняват, къде не могат…. Преориентираме се за борба с коронавируса.

Разкажете за новите идеи как да помогне ЦЕРН?

Още: Революции, променили историята по VIASAT HISTORY (ВИДЕА)

Още: Древни британци убили и разчленили най-малко 37 души

В момента се събират предложения в няколко направления. Едното е за създаване и използване на нови материали, които да бъдат използвани за защитни маски, шлемове и облекла. Освен това, ЦЕРН активно участва в една програма, в която са включени огромни компютърни ресурси за нагъване на белтъци, за да може да се изучи структурата на протеините на коронавируса. Друго направление е работа, свързана с използване на изкуствен интелект и други софтуерни методи и инструменти, както във връзка с разработване на лекарства против COVID-19, така и за разработване на математически модели и прогнози за разпространението и развитието на вируса. В ЦЕРН е разработен и респиратор, който е много по-лек и може да работи на батерии. Всичко това се прави в тясна връзка със Световната здравна организация (СЗО).

България има ли участие?

В момента български групи не участват в тези проекти, а къде би могла да се включи България – това вече не е свързано с ЦЕРН, а с други дейности на нашата група – например в опитите да бъдат разработени лекарствени препарати.

Защо е толкова важна протеиновата структура на вируса?

След като проникне вътре в клетката, коронавирусът се разгражда и неговото РНК пуска процес на производство на белтъци. Сумарно неговото РНК кодира само 26 белтъка. Тези белтъци се произвеждат от клетката, в която е влязъл коронавирусът и започват да взаимодействат с човешките белтъци, които са вътре в нея. Целта на тези взаимодействия е двояка – от една страна коронавирусът се опитва да блокира нормалното функциониране на клетката като спре имунния ѝ отговор, така че тя да не го унищожи и едновременно с това осигурява целия механизъм за възпроизводството си, така че от тези белтъци да бъде сглобен заедно с РНК новият вирус, който да напусне клетката и да продължи да се разпространява нататък. Интересното е, че тези 26 белтъка на коронавируса взаимодействат с 332 човешки белтъка, т.е. те са изключително ефективни - блокират и изменят много от функциите на клетката. Да се открие лекарство срещу този вирус означава да се намери някаква малка молекула, която да се свърже с някой от белтъците му, т.е. с един или повече от тези 26 белтъка и да блокира тяхната биологична активност. За да подберем малка молекула, с която да блокираме даден протеин, трябва да познаваме тримерната структура на този протеин. Това означава да познаваме всеки един атом от него къде е разположен в пространството. Тримерната структура на протеините на този вирус не е позната, защото той е нещо съвършено ново, което се е появило съвсем наскоро. По принцип тримерни структури на протеини се получават като кристализираме този протеин и го облъчваме с високоенергетично рентгеново лъчение. Тогава получаваме картина - атом по атом кой къде е разположен. Другият метод е като се използва ядрено-магнитен резонанс.

Какви са следващите стъпки до лекарството?

От всевъзможните милиарди малки молекули, които съществуват и които можем да синтезираме, трябва да подберем най-подходящите. Правят се компютърни симулации, като се използват суперкомпютри и с тяхна помощ се проверява относително бързо кои са потенциалните кандидати, които биха се свързали с въпросния белтък. След като сканираме съществуващите бази данни и отделим от огромното множество потенциални кандидати, които може да бъдат 10 – 20 – 30, се прави експериментална проверка, за да се види дали наистина се свързват и образуват ли стабилен комплекс.

Ако се окаже, че образуват стабилен комплекс с белтък на вируса, следваща стъпка е да се провери дали тази молекула освен с този белтък не се свързва и с други човешки белтъци и по този начин да даде някакви странични или токсични ефекти. Ако се окаже, че там нещата са наред, се преминава през три фази на изпитване – отначало върху животни, след това върху хора и клинични изпитвания на евентуалния кандидат за лекарствен препарат.

Процедурата е дълга, никак не е проста, но се надяваме, че относително бързо можем да получим някакво ново лекарство. Между другото това обяснява защо повечето медици в момента се опитват да използват вече известни лекарства, които са утвърдени като лекарствени препарати и чиито странични ефекти се знаят. Такъв е случаят с лекарствените препарати, базирани на хининова основа, които са разработвани против малария, също и с препарата, който беше разработен от Япония за лечение на грип и се оказа, че има положително въздействие и при болни от COVID-19.

Беше съобщено, че в Австралийския ускорител опитват да за създадат 3D-карти на белтъците на коронавируса, бихте ли пояснили?

Този ускорител в Австралия е синхротрон, който ускорява електрони. Тези електрони, когато минават през силно магнитно поле, излъчват т.нар. синхротронно излъчване, което в случая е от високоенергетични рентгенови гама кванти. По този начин може да бъде получена тримерната структура на изследвания обект на атомно ниво. Задачата, която са си поставили австралийските учени от този ускорител, е да изследват тримерната структура на белтъците, произвеждани от вируса. А защо искаме да я знаем - защото когато я знаем, тогава вече можем да направим следващата стъпка – да се опитаме да намерим някаква малка молекула, която да взаимодейства с този белтък и да блокира неговата биологична активност.

Обнадеждаващи ли са усилията за получаване на такива обемни структури?

Това не е въпрос на обнадеждаване. Това е необходимо условие, за да се направи следващата стъпка - да търсим лекарствен препарат, т.е. ако ние не познаваме тримерната структура на тези белтъци, много трудно бихме могли да подберем бързо и ефективно молекула, която да може да се свърже с тях. Това е абсолютно необходимо знание като първа стъпка, за да направим втората – вече да търсим коя молекула може да се свърже с тези белтъци.

А колко време отнема?

Самата тримерна структура се прави относително бързо и лесно, разбирайте доста хора за няколко седмици – месец могат да направят кристализирана форма на изследвания белтък и да получат тримерната му структура. Оттам нататък е доста сложен процес. Ако вземем за пример разработването на предишни лекарства и препарати, обикновено процесът отнема години, но в случая с коронавируса работят страшно много колективи по цял свят едновременно и се опитват да получат лекарство, за да блокират този вирус. Мисля, че можем да бъдем оптимисти.

Къде виждате потенциал българската наука да допринесе?

В момента има отворени конкурси от Европейската комисия, които са ориентирани директно в няколко направления за борба с коронавируса и последствията от неговото присъствие – разработване на лекарствени препарати и ваксини; третиране на болните и заразените от коронавирус и борбата с всички икономически и социални последствия от тази пандемия. В тези направления работят различни колективи от БАН и българските университети. Специално нашата група, освен с физика на елементарните частици се занимава от доста време и с биология и то именно с разработване на нови лекарствени препарати с помощта на компютърни симулации и с използване на високопроизводителни компютри и суперкомпютри.

Бихте ли разказали повече за суперкомпютрите, разработваните препарати и българския принос? 

Използвали сме двата български суперкомпютъра – IBM Blue Gene/P и Авитохол, както и ред от големите европейски суперкомпютри. Изследванията ни са свързани с разработване на лекарствени препарати за потискане на развитието на някои автоимунни заболявания, както и с използване на антибактериални пептиди от естествен произход вместо антибиотици.

Започнахме изследване, свързано с изясняване на механизма чрез, който коронавируса подтиска имунния отговор на заразените клетки. Изучаваме, кои белтъци участват в този процес и ще се опитаме да намерим начин да ги блокираме, така, че да може имунната система да се справи с вируса. В тези изследвания участват учени от СУ "Св, Кл. Охридски", Института по информационни и комуникационни технологии (ИИКТ), Института по молекулярна биология (ИМБ) и Института по органична химия с център по фитохимия (ИОХЦФ) на БАН.

Постиженията от ЦЕРН могат ли да бъдат от полза?

Да, могат. В няколко направления работим. Например в момента ЦЕРН е отделил от компютърния си център, който е огромен, над 200 000 ядра, които се използват за нагъване на белтъци на COVID-19, т.е. за изясняване на тримерната структура на белтъците, които произвежда коронавирусът. В днешно време централните процесори на компютрите имат 6 – 8 – 12 ядра и всяко от тези ядра работи като самостоятелен процесор и една или две задачи могат да се пресмятат на него.

Резултатът ще бъде ли ползван в австралийския ускорител?

Тези резултати ще бъдат ползвани от всички хора, които се занимават с тази задача. Примерно в Австралия, ако успеят и получат 3D структури на протеините на коронавируса, те ще ги публикуват. Тогава те стават достъпни за всички останали учени, които работят по проблема, могат да ги вземат и да работят с тях. Същото е с този бъдещ резултат от ЦЕРН. Това е световно движение, което в момента обединява ресурс, многократно по-голям от най-мощния суперкомпютър в света по задачата да се изясни тримерната структура на белтъците, произвеждани от коронавируса. Хората по цял свят работят активно и ние ще се опитаме да направим принос в това направление.

Как върви борбата на другия фронт – срещу потенциалното заразяване, срещу невидимия латентен вирус, който дебне по повърхностите?

Тези вируси са доста нестабилни и ако се третират с препарати на спиртна основа, се разграждат и унищожават. Това е общоизвестно. Друго ефективно средство е облъчване с ултравиолетова светлина. Ултравиолетовото лъчение е от високоенергетични фотони, които когато попаднат върху вируса разграждат неговата обвивка и РНК, много ефективно при това. Но ултравиолетовото излъчване е точно толкова вредно и за човека.

Има ултравиолетови лампи, които са широко използвани в медицината за дезинфекция. Сложни и относително скъпи са и човек трябва да бъде много внимателен при употребата им. Такива лампи трябва да се използват в помещения, в които по време на облъчването няма хора и самото облъчване трябва да трае 15 – 20 минути максимум. Става въпрос за същото нещо, от което вие се пазите, когато сте на плаж и се мажете с крем. Целта на тези кремове и целта на смяната на тена на кожата е да поглъщат ултравиолетовото лъчение и да не допускат да унищожава човешките клетки.

Изглежда най-сигурният враг на коронавируса са ултравиолетовите лъчи?

Със сигурност, без всякакво съмнение - когато облъчвате вирус с ултравиолетово излъчване, вие го унищожавате. Проблемът е, че когато вирусът е вътре в човека, не може да го облъчвате. Но може да облъчвате стаи, болнични и други помещения, като част от дезинфекцията, в отсъствието на хора. Едно време по болничните стаи имаше два ключа – с единия се включваше осветлението, а с другия - ултравиолетовата лампа за дезинфекция. Сега не знам как е, но една лампа е разчетена да облъчва цяло помещение, така че тези, които са в болниците категорично стават и за домашна употреба, но трябва да се внимава много.

А за облъчване на магазини с хранителни продукти, складове, фризери, аптеки, офиси, транспортни средства подходящи ли са? Ултравиолетовите лъчи, освен че "почистват", оставят ли други следи, предизвикват ли химични реакции и съединения, проникват ли през прегради и стени? Може ли предметите и продуктите да се облъчат безопасно отвсякъде и да остават безопасни?

Може да облъчвате навсякъде, стига там да няма хора. Такова облъчване с доза, която не надвишава препоръчаната, не уврежда облъчваните продукти. По принцип ултравиолетовото излъчване се поглъща от много тънки прегради и не прониква на голяма дълбочина. При многократно облъчване повърхността на някои материали може да се увреди по същия начин, както когато са изложени за дълго време на пряка слънчева светлина.

Някои учени свързват нашествието на коронавируса с ниската слънчева активност, споделяте ли това виждане?

Тази хипотеза звучи изключително обосновано. Слънцето излъчва светлина в пълния спектър, включително ултравиолетово излъчване, което когато облъчва някакви бактерии, вируси, микроби, общо взето ги унищожава. Имаме си източник на естествена дезинфекция, само че този източник работи доста по-слабо през зимата и по-малка част от ултравиолетовото излъчване достига до земната повърхност. Известно е и, че Слънцето не винаги излъчва еднакво количество светлина и че има периоди, в които е по-активно и периоди, през които е по-пасивно. Оказва се, че в момента Слънцето е в своя минимум на активност и както твърдят тези изследователи, сегашният е доста дълбок минимум, тъй като за последно Слънцето е било толкова пасивно преди почти 200 години. Все пак, с нарастването на активността на Слънцето, ще се увеличава интензивността на ултравиолетовото излъчване и така нашата естествена машина за дезинфекция ще заработи доста по-ефективно.

Дискутира се естествен или изкуствен е коронавирусът, Вие как смятате?

Едва ли някой може да каже със сигурност как се е появил този вирус. За момента се приема, че вирусът SARS-Cov-2 е мутирал в прилепи и е преминал към човек чрез междинен гостоприемник т.е., произходът му е естествен.

Да се прехвърлим към ЦЕРН - уловихте „Хигс бозона“, ред е на „тъмната материя“, нали?

Хигс бозона го уловихме и в момента изучаваме неговите свойства. Само че за целта ни е необходимо да наберем достатъчно много такива частици и да имаме достатъчно статистика. Той, обаче, не се ражда често, а в много редки процеси. Нашият ускорител от близо 3 години не работи, заради планово спиране и трябваше да заработи в началото на следващата година, но заради пандемията, явно ще има закъснение от няколко месеца. В момента се занимаваме с доизграждане на ускорителя, така, че да има по-висока интензивност и евентуално по-висока енергия на сноповете. Паралелно с ускорителя се работи по доизграждане на детекторите, така, че те да могат да работят при тази по-висока интензивност на ускорителя, като целта е в следващите 3 години да увеличим рязко статистиката, така че да изследваме по- прецизно и с по-висока точност свойствата на Хигс бозона. Това е една от многото задачи, които се опитваме да решим.

Много интересна и изключително важна задача за следващите години ще бъде да се направи опит да разберем от какво е съставена и каква е структурата на тъмната материя. Тя е около 6 пъти повече от познатата ни „обикновена материя“. Тъмната материя взаимодейства много слабо с нашата и ние съдим за нея единствено по гравитационните й взаимодействия. Не знаем от какви частици е съставена и дали те взаимодействат по някакъв друг начин с обикновената материя.

Ако успеем да наблюдаваме съставящите частици на тази материя и разберем какви са техните свойства, това ще бъде огромна стъпка в разбирането на структурата на Вселената.

Интервю на Ива Иванова