Cele są jasne: zatrzymać raka, Alzheimera, cukrzycę. A osiągnąć je można, dostosowując terapię do konkretnego przypadku i konkretnego człowieka, do jego indywidualnych cech określonych przez geny i środowisko. Co roku miliardy dolarów wydajemy na pokonanie schorzeń tak znanych, że niemal oswojonych. I tylko lakoniczne wzmianki, że znów „po długiej i ciężkiej chorobie” odszedł ktoś bliski lub, znany uświadamiają, że rak nie boi się nazwiska ani fortuny, a degeneracja neuronów jest w stanie pokonać największe umysły.
Ideałem terapii byłby program na komputer, tablet, a może smartfon. Mała aplikacja lub serwis internetowy, wszystko jedno. A w nim elektroniczny zapis tego, co mamy w sobie – archiwum naszych genów i matematyczny opis milionów logicznych połączeń pomiędzy nimi. Oczywiście musi być gdzieś przycisk START, najlepiej zielony. No więc startujemy.
Problemem nie są tajemnicze prawa fizyki rządzące światem ożywionym. Elektromagnetyzm, mechanikę czy teorię kwantów znamy dość dobrze już od lat. Te same prawa opisują wiązania chemiczne pomiędzy atomami w strukturze diamentu, jak i białka. Sęk tkwi w ogromnym stopniu skomplikowania zjawisk biologicznych. Wszystko zaczyna się od jednej maleńkiej komórki o średnicy około dziesiątej części milimetra. To w niej po zapłodnieniu znajdują się 23 pary chromosomów (od obojga rodziców) z upakowanym DNA – podwójną helisą z informacją. Po rozwinięciu komplet DNA od jednego rodzica mierzy trzy metry i zawiera trzy miliardy znaków – nukleotydów, z których każdy może przyjąć jedną z czterech wartości: A, C, G, T. Do zapisu czterech wartości potrzeba co najmniej dwóch bitów, więc całość zajmie około 750 MB, ot zwykłą płytkę CD.
W kilku miliardach literek zapisanych jest nieco ponad 30 tys. genów – sekwencji nukleotydów z przepisem na stworzenie białek, budulca naszych organów i wykonawcę komórkowych poleceń. Spacje pomiędzy genami też są ważne, choć jeszcze nie do końca wiemy, jak działają i za co odpowiadają. To częsty motyw w biologii – im więcej wiemy, tym więcej pojawia się znaków zapytania. Na szczęście, bo każda kolejna zagadka to obietnica fantastycznych odkryć. Prawdziwa terra incognita tuż pod naszym nosem, jednak skala zjawisk jest tak ogromna, że bez pomocy komputerów nie zrozumiemy nic.
Tropienie podziałów
Dziś ludzki genom można rozszyfrować w jeden dzień. Na przełomie wieków zespół Craiga Ventera potrzebował do analizy danych z eksperymentów dwóch i pół roku pracy 160-procesorowego klastra. W 2000 r., kiedy standardowy rozmiar dysku twardego wynosił 10 GB, oni potrzebowali 500 GB. Przedsięwzięcie kosztowało grube miliony dolarów i trwało dobrych parę lat pracy kilkusetosobowego zespołu. W styczniu 2012 r. firma Life Technologies Corp. pokazała światu urządzenie, które sekwencjonuje cały genom człowieka w jeden dzień za 1000 dol.
To jednak nie wszystko. Do zmaterializowania się informacji genetycznej w postaci koloru oczu, kształtu ciała, cech osobowości czy wreszcie predyspozycji do schorzeń potrzeba niezwykłej maszynerii molekularnej. To ona interpretuje genom i rozpoczyna proces podziału jednej pojedynczej zapłodnionej komórki, by w końcu ustalić ich pełną liczbę na około 50 bln u dorosłego człowieka. Niektóre z nich, jak neurony (mamy ich około 100 mld), towarzyszą nam przez całe życie, inne, jak na przykład komórki tłuszczowe, wymieniamy mniej więcej co 10 lat, a komórki skóry co kilka dni. To właśnie procesy kontrolujące liczbę komórek tłuszczowych są na celowniku setek laboratoriów; tabletka na otyłość wciąż czeka na odkrycie. Naukowcy w ogóle darzą szczególnym zainteresowaniem podziały komórkowe, gdyż to błędy i pomyłki w tych właśnie procesach stoją za powstawaniem nowotworów.
Błędy występują już podczas produkcji białek z informacji zawartej w genach. Białka to ogromne cząsteczki o fantazyjnych kształtach, składające się z tysięcy atomów. Uczestniczą praktycznie we wszystkich procesach biochemicznych w organizmach żywych. To właśnie ich trójwymiarowe kształty decydują o funkcji i o tym, czy dany proces zajdzie, czy nie. Kształt wynika z sekwencji zapisanej w DNA, a jeżeli sekwencja zawiera przekłamanie (wystarczy jeden zły bit), istnieje ryzyko, że białko się odpowiednio nie zwinie, czyli nie otrzyma należytego kształtu. Efektem tego są dziesiątki schorzeń: anemia, cukrzyca, Alzheimer, Parkinson – to tylko ułamek całej litanii. Nieprawidłowe zwinięcie białka może być też jak najbardziej pożądane. Dzieje się tak, gdy chcemy na przykład zatrzymać infekcje wirusowe. Atak odpowiednią substancją chemiczną na białka wirusowe potrafi unieszkodliwić intruza. Tak projektuje się leki. W komputerze.
Potrzebne petaFLOP-y
Z pozoru sprawa wydaje się prosta. Znamy sekwencję DNA, znamy składniki białek, znamy też oddziaływania fizyczne, jakim podlegają. Wystarczy wprowadzić równania do komputera i wcisnąć Enter. Tak oczywiście można, ale na wynik moglibyśmy czekać i tysiąc lat. Nic dziwnego, że tego typu obliczenia prowadzi się na najpotężniejszych maszynach świata, w tym na maszynie, do której podłączyć się może każdy z nas. Folding@home to projekt udostępniania mocy obliczeniowych swojego peceta lub konsoli do gier do obliczeń dotyczących zwijania białek. Pod koniec zeszłego roku ta globalna sieć przekroczyła całkowitą moc obliczeniową 8 petaFLOPów (peta to 1 i 15 zer, FLOP wyraża liczbę operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę). Dla porównania, pierwszy obecnie na liście 500 najszybszych komputerów świata, japoński K computer z instytutu RIKEN, dysponuje mocą 10 petaFLOPów. Laptop, na którym powstał ten tekst, ma moc milion razy mniejszą.
A to tylko moc potrzebna do obliczenia w sensownym czasie zwinięcia pojedynczego białka. W danej chwili w każdej naszej komórce znajduje się kilka tysięcy ich typów w liczbie od kilku do kilkudziesięciu tysięcy każde. Białka są w ciągłym ruchu, przemieszczają się w komórce i poza nią, zmieniając nieco swoje kształty pod wpływem reakcji chemicznych. To też można symulować w komputerze, choć metody muszą być już nieco sprytniejsze – w przeciwnym razie nie starczyłoby czasu we Wszechświecie na doczekanie wyników.
Obecnie uwagę naukowców skupiają jednak sieci – schematy interakcji pomiędzy cząsteczkami biochemicznymi, w tym białkami w obrębie komórki, organu lub całego organizmu. Znów mamy do czynienia z niezwykłą złożonością, przy której np. schemat londyńskiego metra to dziecięcy elementarz. Spójna, kompletna reprezentacja tych powiązań dla różnych typów komórek jeszcze nie istnieje, na razie wystarczyć nam muszą fragmenty.
To trochę tak, jakbyśmy trafili na nieznaną planetę, na której panuje kompletna ciemność, a jedynym dostępnym dla nas oświetleniem byłaby mała rowerowa lampka. Ale ludzie są wytrwali, bo nagroda za odkrycie jest zwykle wysoka. Nowy lek, nowa terapia, dłuższe życie. To właśnie w złym funkcjonowaniu powiązań upatruje się źródeł raka, gdyż nie wszystkie mutacje genów oznaczają chorobę. Musi nastąpić cały szereg okoliczności, a przyczyna jest systemowa.
Jak jednak interpretować wyniki, kiedy mamy do czynienia z kilkoma tysiącami graczy, powiązanych jeszcze większą liczbą zależności? Musimy zdać się na maszyny. To one mogą wyłonić powiązania, korelacje, wyznaczyć te gałęzie sieci, których aberracje są w stanie najbardziej przyczynić się do powstania choroby. A to już krok od zaprojektowania bardzo specyficznych leków działających precyzyjnie jak laserowy skalpel.
Zanim lekarz wciśnie zielony guzik na ekranie tabletu przyszłości i obliczy najlepszą terapię dla naszego zestawu genów, musimy pokonać jeszcze długą, lecz w pewnym stopniu przewidywalną drogę. Potrzebujemy tysięcy kolejnych eksperymentów, aby skatalogować ogrom logicznych połączeń pomiędzy cząsteczkami biologicznymi. Potrzebujemy szybszych komputerów, większych dysków i sprawniejszych algorytmów, aby to wszystko zapisać w matematycznej postaci i zasymulować in silico – w płytce krzemu.
W grupie siła
Istnieje jeszcze jeden bardzo ważny element układanki – edukacja, bo bez odpowiednio wyszkolonych ludzi nic z tego nie wyjdzie. Dzisiejsza biologia to nie wkuwanie na pamięć elementów szkieletu żaby czy cyklu rozrodczego pantofelka, czym jeszcze nie tak dawno nękała nas szkoła. W zasadzie nie jest to już klasyczna biologia, lecz zlepek wielu dziedzin z pogranicza chemii, fizyki, matematyki czy w końcu informatyki.
Lek na raka nie będzie dziełem samotnego naukowca, lecz efektem współpracy wielu międzynarodowych zespołów. Dużo się ostatnio mówi o niedostosowaniu polskiego systemu nauczania do potrzeb współczesnego biznesu. Brak umiejętności pracy w grupie wymieniany jest jako jeden z grzechów głównych kandydatów do pracy. Z tego powodu cierpią firmy. We współczesnej nauce ta umiejętność jest jedną z podstawowych.
Autor pracuje w instytucie Systems Biology Ireland w Dublinie. Zajmuje się matematycznym modelowaniem sieci komórkowych odpowiedzialnych za powstawanie nowotworów.