От физики элементарных частиц к биомедицине

Валерий ПОСТНИКОВ [текст],

Анастасия КОТЛЯРОВА [фото]

В ДВФУ в рамках проекта «Академическая мобильность» уже несколько лет работает программа создания научных лабораторий, которые должны вывести научную работу вуза на мировой уровень. Для этого университет приглашает известных ученых из ведущих российских и зарубежных вузов, которые и становятся руководителями новых исследовательских центров. Всего же, по информации начальника Отдела сопровождения конкурсов и программ Департамента научной и инновационной деятельности ДВФУ Светланы Гончаровой, с начала года в ДВФУ работает 57 учебно-научных лабораторий, еще несколько — в процессе создания.

Один из уникальных исследовательских центров в ДВФУ — Лаборатория суперкомпьютерного моделирования сложных систем в биомедицине, созданная в Школе биомедицины (ШБМ). «Остров.ру» познакомился с ее сотрудниками и узнал, чем занимается такое сложное, «суперкомпьютерное», направление научной работы.

Ведущий научный сотрудник лаборатории «Суперкомпьютерное моделирование сложных систем в биомедицине» ДВФУ, старший научный сотрудник лаборатории решеточного моделирования Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ, Москва), доктор физико-математических наук Виктор Брагута:

— Сложные системы существуют как на макро-, так и на микроуровне (например, плазма на Солнце, протеины или процессы с участием элементарных частиц). Подходы теоретической физики, применяемые и развиваемые в нашей лаборатории, позволяют учитывать эти многочисленные взаимодействия и моделировать сложные системы и процессы, протекающие в них.

Для чего это нужно с практической точки зрения? Как известно, для того чтобы разрабатывать материалы с новыми полезными свойствами, эксперименты необходимо повторять многократно. Моделирование позволяет заменить эксперимент расчетами на компьютере и показать, насколько перспективно то или иное направление работ. Суперкомпьютерное моделирование важно не только для фундаментальных исследований, оно и востребовано на практике. Так, мы исследуем графен —  весьма ценный с технологической точки зрения материал, за который российским физикам была присуждена Нобелевская премия за 2010 год. От вычислительной мощности компьютера зависит сложность систем и процессов, которые можно просчитать. В этом нам будет очень полезен суперкомпьютер, который планируется установить в нашей лаборатории к сентябрю.

Заместитель директора Школы биомедицины (ШБМ) ДВФУ по науке и инновациям, доктор физико-математических наук, профессор Александр Молочков:

— Наша Школа изначально создавалась как принципиально новая структура. В ее основе лежит идея трансляционной медицины, т.е. применения подходов фундаментальной науки к созданию новых методов лечения и изучения организма. Конкретно эта лаборатория была задумана для того, чтобы, развивая подходы теоретической физики применительно к сложным системам, дальше искать те области применения, которые относятся непосредственно к исследованию биологии человека.

Надо сказать, что почти все крупные физики со временем начинали заниматься биологией и проблемами возникновения жизни и разума (Поль Дирак, Эрвин Шредингер). И многих серьезных физиков современности интересует вопрос, как применение принципов квантовой теории позволит продвинуться в понимании того, что такое разум и сознание. Например, крупный английский ученый Роджер Пенроуз написал на эту тему несколько научных работ и научно-популярных книг, одна из последних —  «Новый ум короля. О компьютерах, мышлении и законах физики» (2011). Это мощное новое направление современной науки, развитие которого обусловлено тем, что подходы классической физики не позволяют приблизиться к пониманию, что такое сознание, как возникают когнитивные (познавательные, мыслительные) функции биологических систем. Участие в работе над этими вопросами — одна из задач нашей лаборатории. Интересные результаты в этом направлении мы можем получить, развивая вопросы теоретической физики, продолжая наши разработки из области физики частиц, двигаясь к новым задачам из области физики конденсированного состояния, где через конкретные результаты мы можем продвинуться к пониманию природы живой материи.

Нас интересует еще одна проблема общенаучного характера. Известно, что одной из важнейших задач является исследование ранней Вселенной в первые моменты Большого взрыва. Но, на мой взгляд, более интересная и важная задача состоит в том, чтобы понять, как в хаосе Большого взрыва появились сложные системы —  белок и живые организмы. Существующие модели теоретической физики пока не могут дать ответа этот вопрос. Этим и занимается наука, изучающая сложные системы, —  вопросами эволюции и самоорганизации.

В работе мы используем метод Монте-Карло. Это метод статистических испытаний при помощи моделирования случайных процессов и событий у нас основной. Название «Монте-Карло» действительно связано с работой казино, потому что отражает суть этой игры — принцип теории вероятности. Он помогает нам понять, как, по каким законам хаос организуется в систему.

Все эти вопросы в основном носят теоретический характер, но работа над ними имеет большое научное значение. Над такими вопросами работают ученые из крупнейших университетов мира. Поэтому работа нашей лаборатории позволит ДВФУ укреплять свой авторитет в научных сферах, в области фундаментальной науки.

Что касается непосредственно биомедицины, то мы работаем над моделированием структуры белка, применяя методы теории поля и физики частиц. Благодаря этому мы можем наблюдать, как меняется структура протеина при изменении температуры, кислотности и других параметров внешней среды, что может иметь прямое практическое применение, например, в области создания новых лекарств.

Наша лаборатория, в основном, теоретическая, и главное для нас — не оборудование, а  люди, специалисты. Мы активно их приглашаем и создаем условия работы. Нам важна  талантливая молодежь, которая по-настоящему увлечена наукой. Сейчас у нас работает около 11 человек, в том числе 4 доктора наук. Сотрудники московского Института теоретической и экспериментальной физики работают как совместители, приезжая на несколько месяцев. Среди них такие выдающиеся ученые, как Валентин Захаров, который является одним из самых цитируемых российских ученых. С другой стороны, наши студенты и аспиранты ездят в Москву, т.е. у нас «зеркальная» лаборатория, основанная на взаимном обмене. Эту систему мы задумали и начали реализовывать в 2009 году совместно с выдающимся российским ученым —  Михаилом Поликарповым, а сейчас дошли до создания лаборатории в ДВФУ и расширяем сотрудничество на зарубежные лидирующие группы в университете Тура (Франция), университете Уппсала (Швеция) и проекта FAIR (Германия).

Сейчас наша лаборатория — это пять комнат в корпусе ШБМ. Одна из них — просторная аудитория для работы студентов и аспирантов, три рабочих кабинета — для специалистов, и еще одна аудитория —  для проведения семинаров. Наше оборудование — мебель, компьютеры, проектор, литература. С помощью видеосвязи онлайн мы можем проводить телеконференции, а у наших студентов есть возможность слушать лучшие лекции профессоров ИТЭФ (Валентин Захаров, Виктор Брагута, Виталий Борняков), участвовать в семинарах и дискуссиях.

Наша лаборатория только начинает работу, но у нас уже есть неплохие результаты. Мы  опубликовали пару совместных работ в журнале Physical Review с оригинальными результатами по графену и киральным системам, а также статью в журнале Radiation Research c результатами по моделированию экстранейронных сетей.