Разработка лекарств – относительно старый пример виртуальных исследований на людях, где компьютеры используются для решения нелинейных уравнений, которыми изобилует клетка, и помогают разрабатывать персонализированные методы лечения. Допустим, мы обнаружили в вашем организме новую молекулярную мишень – белок, мутация которого связана с развитием заболеваний. Есть надежда, что мы сможем разработать лекарство, как ключ для замка, которое будет работать именно на вас, протестировав виртуальное лекарство на виртуальной копии этой молекулярной мишени (рис. 27).

Долгое время это было мечтой, и химики-теоретики были одними из первых, кто требовал времени за первыми цифровыми компьютерами. Одно из применений касалось молекулярной динамики, о которой мы упоминали во второй главе. Другое было в области квантовой химии: С. Фрэнсис Бойс из Кембриджского университета в Великобритании использовал компьютеры и квантовую теорию для определения электронной структуры молекул[301]. Когда мы были студентами Оксфордского университета, одним из наших преподавателей был Грэм Ричардс, который в 1970-х гг. использовал простейшие компьютеры того времени для расчета свойств молекул, когда «вычислительная химия» стала обычным явлением[302]. Почему бы не попытаться смоделировать, как различные потенциальные лекарства взаимодействуют с мишенями в организме[303]?

Многие команды используют этот подход, но было бы тенденциозно утверждать, что он оказал преобразующее воздействие, и команда Питера задокументировала недостатки многих из этих усилий[304]. Сегодня стоимость разработки нового лекарства измеряется миллиардами долларов[305] и занимает что-то порядка десятилетия. Грубо говоря, каждый новый «универсальный» препарат помогает примерно 50 % населения. Это может стать неожиданностью, но такой разочаровывающий показатель успеха можно увидеть в исследованиях антидепрессантов[306], ингибиторов нейраминидазы, используемых против гриппа[307], а также в осознании того, что большинство распространенных лекарств имеют лишь небольшой или средний эффект[308].

Есть много причин, почему разработка лекарств идет так медленно и неэффективно. По оценкам, в «химическом пространстве», то есть теоретическом пространстве, населенном всеми возможными соединениями и молекулами, имеется от 10 до 60 молекул, подобных лекарству[309]. Из этого океана возможностей лишь немногие смогут связаться с мишенью в организме, и даже если им повезет, еще одним серьезным препятствием является нелинейность – будет ли этого достаточно.

В истории использования компьютеров для разработки лекарств вырисовывается хаос, потому что «ключи» и «замки» не являются постоянными, а, как мы говорили ранее, представляют собой сложные трехмерные молекулы, которые колеблются, прокручиваются и деформируются. Малейшее изменение вращения, формы или угла атаки молекулы лекарства может иметь совершенно разные последствия для его способности связываться с мишенью и быть эффективным: это признак хаоса. Даже при наличии огромных объемов данных о том, как действуют лекарства, хаос означает, что способ стыковки молекулы лекарства с целевым участком в организме чрезвычайно чувствителен ко многим факторам: именно поэтому, используя традиционные компьютерные методы, независимое моделирование действия лекарства от ВИЧ на одной и той же молекуле-мишени может давать разные результаты[310].

Рисунок 27. Моделирование потенциального противоракового препарата, направленного на фермент, связанный с лейкемией (CompBioMed и Суперкомпьютерный центр Барселоны)

Однако не все потеряно. Питер вновь применил методы Монте-Карло для количественной оценки степени неопределенности, порождаемой динамическим хаосом. Когда дело доходит до молекулярной динамики, такой подход стал жизнеспособным только в последнее десятилетие из-за его требований: необходима как минимум петамасштабная машина[311]. Точно так же, как сегодняшние прогнозы погоды используют ансамбли предсказаний, засеянные спектром вероятных стартовых условий, так и ансамбли симуляций могут обеспечить точный прогноз того, насколько хорошо новая молекула будет связываться с целевым участком в организме, чтобы оценить, сможет ли она создать многообещающее лекарство.