Мировая инфохимическая революция

Материалы рубрики читайте также в телеграм-канале «Техносфера, подъем!» 

Великим множеством средних и крошечных колбочек и пробирок, коробочек и пластиковых контейнеров, всевозможного размера пленок, приборов и калейдоскопом разноцветных жидкостей встречает посетителя Научно-образовательный центр инфохимии Университета ИТМО. Здесь можно встретить как школьников, бакалавров, магистров, аспирантов, так и профессоров и академиков. Центр существует с ноября 2019 года, но уже заметен в мировом масштабе результатами своей научной и образовательной деятельности, ведь это одна их крупнейших групп, которая работает на острие революции, объединяющей химию и IT в новую область исследований, и она развивается семимильными шагами. Создатель и директор центра Екатерина Скорб — влюбленная в химию золотая медалистка и олимпиадница, выпускница Белорусского государственного университета — приобрела опыт работы в Институте Макса Планка и в Гарварде. Но именно в петербургском Университете ИТМО, по ее мнению, сейчас широчайшее поле возможностей для развития новой междисциплинарной науки.

Причем науки, теснейшим образом переплетенной с практикой. Во время нашего разговора в руках Екатерины Владимировны появляются тончайшие наноструктурированные пленки и печатные электроды, позволяющие улавливать и идентифицировать вирусы при их минимальной концентрации, прибор для определения содержания антибиотиков в молоке, устройство, определяющее качество бензина. Прикладные проекты возникают в ответ на потребность производств и опираются на передовые фундаментальные знания. Не все заявки на прикладные исследования получают грантовую поддержку с первого раза, но если идея хороша, то рано или поздно она будет воплощена в разработку, ведь писать заявки в центре инфохимии любят и умеют.

Студент бакалавриата по инфохимии Даниил Силин

НОЦ Инфохимии Университета ИТМО

— Чем занимается Научно-образовательный центр инфохимии?

— Мы развиваем под зонтиком инфохимии все те области, которые рождаются на стыке химии и информационных технологий. Это и хемоинформатика, и хемометрика, и хемотроника, и цифровая химия, и все методы вычислительной химии. Движущая сила всего того, что сейчас происходит в этой области, — это подход, основанный на сборе баз данных. Мы ищем системы, где сбор баз данных позволяет нам выйти на новые решения, на ответы на большие вызовы, которые стоят перед страной и миром.

Например, одна из работ связана с тем, что мы используем явление кавитации (явление, связанное с разрывом пузырьков в жидкости под влиянием снижения давления. — «Стимул») — сверхбыстрое схлопывание кавитационного пузырька — чтобы определять составы сложных смесей; в нашем случае мы научили систему определять наличие этилового спирта в сложной смеси. Схлопывание пузырька происходит быстро, и, используя высокоскоростную съемку коллапса кавитационного пузыря в разных средах, мы можем собирать тысячи изображений за одну секунду и дальше эти изображения подгружать в базу данных. В результате исследований мы запатентовали технологию определения октанового числа бензина, сейчас ищем возможность использовать технологию и для определения качества удобрений. Мы также разрабатываем для «Газпрома» проточный анализатор концентрации коррозионных ингибиторов в водно-нефтяном флюиде (коррозионные ингибиторы — это вещества, которые приостанавливают процесс химических и физических реакций, образуя на поверхности металла особую защитную пленку. — «Стимул»).

— Как удается совмещать фундаментальные и прикладные исследования?

— Центр объединяет научные группы и ведущих ученых со всего мира, которые в области инфохимии сегодня являются законодателями всего лучшего, что происходит в мире, потому что мы умеем соединять классическую химию и возможности IT, знаем, как это делать. Многие не умеют и не знают. Сейчас в Европе, в Америке только начали появляться проекты, основанные на роботизации химических технологий. И это не тысячи групп, а единицы. И мы со всеми в контакте, понимаем, чем они занимаются, а сами находимся на фронтире, который позволяет нам действительно быть заметными во всем мире.

Понимая фундаментальные принципы, дальше мы смотрим, как выйти на какие-то конкретные задачи и проекты. Недавно подавали заявку на создание системы скрининга и сбора базы данных для определения активности биологических систем, используя метод атомной силовой микроскопии, соединив между собой роботизированную платформу сбора баз данных с чипами, которые мы предлагаем. Мы знаем, как сделать наноструктурирование поверхности таким образом, чтобы получить возможность селективно выявлять разного рода вирусы и бактерии.

— Как это работает?

— Как тест-система, которая позволяет делать скрининг широкого круга образцов и выявлять образцы, которые заражены. и их уже более детально исследовать. Создается специальная система хранения, представляющая собой базу данных с маркированными образцами, которые дальше можно анализировать. Мы начали с выявления клещевого энцефалита, научились определять одновременно вирус, антитело или связанный с антигеном вирус, затем создали систему для скрининга и распознавания не одного вируса энцефалита, а нескольких.

— Как вы решаете проблему чувствительности тест-системы, которая связана с проблемой малых концентраций вируса в крови или слюне?

— Нанотехнология заключается в том, что полимеры, полиэлектролиты наносятся на поверхность послойно, и это делается таким образом, что полученный «пирог» всасывает в себя только то антитело или антиген или их комплекс, на который вы его настроите, а все остальное оттуда будет десорбироваться (процесс, при котором вещество высвобождается с поверхности. — «Стимул»), и получится концентрация искомого вещества в приповерхностном слое. Этот проект очень активно стартовал во время пандемии, мы подписали соглашение с Центром Чумакова (Федеральный научный центр исследований и разработки иммунобиологических препаратов им. М. П. Чумакова РАН. — «Стимул») и после этих исследований остались также большими друзьями и с кафедрой энзимологии МГУ, где работает академик Алексей Михайлович Егоров, и продолжаем с ними сотрудничать. Базовая технология наноструктурирования поверхностей и возможностей концентрирования в приповерхностном слое достаточно общая, а дальше появляется конкретная проблема, и мы ее решаем за счет того, что комбинируем подходы и задачи партнеров.

Нашу заявку на создание системы скрининга вирусов и бактерий, которую мы написали вместе с партнерами, к сожалению, отклонили. Но если заявка и идея хорошая, рано или поздно мы найдем финансирование. Мы пишем много заявок в разные фонды, что-то получается, что-то получится попозже.

Еще среди наших проектов — куб искусственного сердца, мы его недавно представляли в Центра Алмазова (Национальный медицинский исследовательский центр им. В. А. Алмазова. — «Стимул»). Это система для культивирования клеточных и бактериальных культур. В данный момент мы исследуем кардиомиоциты (мышечные клетки сердца. — «Стимул»), дальше будем тренировать кардиомиоциты сокращаться и создадим систему, в которой можно будет изучать нормальный режим сердца, аритмии, процесс восстановления кардиомиоцитов, что именно помогает им восстанавливаться и как на это влиять. Все проекты, связанные с медициной, длятся дольше; те, что делаются для сельского хозяйства и пищевой промышленности, — быстрее.

Оборудование в лабораториях НОЦ Инфохимии Университета ИТМО

НОЦ Инфохимии Университета ИТМО

Наука и образование как одно целое

— Как исследовательские проекты связаны с образовательными технологиями в рамках центра?

— К каждому проекту прикрепляется, кроме большого ученого, аспирант, магистрант или даже школьник. У нас выстроена вся линейка образовательных программ — от старшеклассников, которых мы вовлекаем в научные проекты (сейчас как раз в «Сириусе» идет смена «Большие вызовы» с нашим участием) до бакалавриата, магистратуры и аспирантуры.

— Учиться сложно?

— Очень! Ребятам приходится освоить одновременно две программы — классическую химическую и IT. Не все тянут. Но я верю в тех, кто, как и я, готовы работать 24/7. Первый год очень тяжело учиться, потом ребята втягиваются, привыкают. Но оно того стоит! Ведь цифровая грамотность сегодня делает специалиста-химика очень ценным на рынке труда. Мне легко объяснять мамам и бабушкам, что если ребенок проявил склонность к химии, которая является моей любовью, — и я считаю, что это замечательная наука, очень востребованная сегодня, — то надо учитывать, что на рынке труда классический химик стоит дешевле, чем химик, который понимает в IT. Мамы и бабушки верят, отдают ребят, а мы берем ответственность за них, понимаем, где их дальше будем трудоустраивать, какие у них есть возможности. Я горжусь, что у меня ребят после первого курса уже берут на стажировки в топовые организации. Второкурсники уже все трудоустроены.

— Случается, что новые специальности начинают внедряться в образовательный процесс с магистратуры. У вас тоже так было?

— Да. Причем мы ввели не сразу программу инфохимии, а сначала частично, как трек в другой программе, по материаловедению, и уже потом выделили ее в отдельную магистерскую программу. Сейчас у нас три магистерские программы — инфохимия (продвигаем и академический трек с возможностью быстро защитить диссертацию: «два плюс два» — интересный формат, когда связаны магистратура и аспирантура), роботизация химических технологий (эту программу мы реализуем совместно с Фондом структурных образовательных программ с участием предприятий, которые хотят использовать роботизированные лаборатории, чтобы получать новые материалы, собирать новые базы данных), и новая программа, вводится с этого года — химический софт. Это магистерская онлайн-программа. Те химики, которые не пришли к нам в бакалавриат, но понимают, что IT — это будущее, учат на этой программе IT на химических кейсах.

Бакалавров набираем третий год, магистрантов — четыре года.

— Каким должен быть абитуриент, чтобы успешно у вас учиться?

— Мы ждем всех талантливых и мотивированных! Любим отличников и олимпиадников, но у нас есть и программа, рассчитанная на обычных школьников. Они могут попробовать себя в работе над проектами. Идеальное время попробовать — десятый класс. Такие ребята могут поступить к нам по программе ITMO.STARS. Кстати, статью про кавитацию в престижнейшем научном журнале написал школьник Илья Королев. Опытные ученые сформировали подход, а он благодаря трудолюбию и аккуратности выполнил работу. Школьники приходят к нам к одиннадцати утра по воскресеньям. Если вам неинтересно, то вы не будете тратить свой единственный выходной в десятом классе, чтобы провести его в лаборатории! Илья Королев потратил. Сейчас он второкурсник бакалавриата, сам занимается со школьниками.

— Сколько людей вовлечены в экосистему центра?

— Наш центр официально открылся в ноябре 2019 года, но небольшая группа и отдельный трек в материаловедческой программе существуют с 2017-го. За это время группа выросла до 150 человек на всех уровнях. Консультантом нашего Научно-образовательного центра выступил нобелевский лауреат Жан-Мари Лен (получил Нобелевскую премию по химии в 1987 году вместе с Дональдом Крэмом и Чарльзом Педерсеном за синтез криптанд. Один из новаторов в области супрамолекулярной химии. — «Стимул»).

Екатерина Скорб с нобелевским лауреатом Жаном-Мари Леном (получил Нобелевскую премию по химии в 1987 году вместе с Дональдом Крэмом и Чарльзом Педерсеном за синтез криптанд. Один из новаторов в области супрамолекулярной химии)

НОЦ Инфохимии Университета ИТМО

Россия — лучшее место для научного прорыва

— Кто кого нашел — вы ИТМО или ИТМО вас?

— Я всегда хотела работать в России.

Я была медалисткой, олимпиадницей, окончила классическую химическую программу в Минске, в Белорусском государственном университете. У меня было множество стипендий, проектов, один из них — совместный с Институтом Макса Планка. Меня туда пригласили, и я руководила группой. Потом меня пригласили в Гарвард, и уже оттуда я писала заявку про то, что считаю перспективным с учетом моего опыта и при поддержке ведущих ученых — нобелевского лауреата Жан-Мари Лена и Джорджа Уайтсайдса, самого цитируемого химика в мире и основоположника инфохимии, у которого я была приглашенным профессором в Гарварде.

Это люди, с участием которых не первый раз рождаются новые области науки. Жан-Мари Лен в свое время стал основоположником супрамолекулярной химии. Когда появилась физическая химия, она собрала под своим зонтиком электрохимию, коллоидную химию. В какой-то момент появляется достаточная масса знаний, которую удается обобщить и предложить это как какую-то новую область. И сегодня это революция в информационных технологиях. Изначально это выглядело как ответвление в сторону проектных вещей, но потом оказалось, что инфохимия точно так же собирает под своим зонтиком и хемоинформатику, и цифровую химию, и хемометрику — разные направления, которые можно обобщить, как это раньше происходило с другими новыми областями науки.

С самым цитируемым химиком в мире и основоположником инфохимии Джорджем Уайтсайдсом

НОЦ Инфохимии Университета ИТМО

Когда я еще работала в Германии, к нам приезжал Алферов (Жорес Иванович Алферов, получил Нобелевскую премию по физике в 2000 году за разработку полупроводниковых гетероструктур совместно с Г. Кремером и Д. Килби. — «Стимул») и рассказывал про Сколтех. Я думала переезжать в Сколтех и подписалась на рассылку разных позиций. Однажды в этой рассылке, когда уже работала в Америке, я увидела, что Университет ИТМО ищет профессоров. Я открыла, посмотрела, оказалось, что это предложение хорошо ложится на то, что я делаю. Отправила документы, со мной связались и пригласили на интервью 3 января 2017 года. Я приехала, провела семинар, получила поддержку и начала работать в Университете ИТМО на постоянной основе в сентябре 2017-го.

Я всегда хотела большую группу, которая сможет охватить много интересных областей. Получить большую группу молодому специалисту в каком-то другом месте практически невозможно: ну, будет у вас один постдок, один аспирант и, может, максимум десять человек в группе, а для того, чтобы развивать направление, двигать его вперед, нужны последователи, нужна школа, тогда вы действительно сможете что-то сделать на высоком уровне. Россия сегодня развивается очень бурно и заметна на мировом уровне в области инфохимии.

В Институте Макса Планка мы развивали классические подходы и, конечно, использовали вычислительные методы, но в этом отношении Россия более открыта новым областям, здесь их развивать гораздо легче, не встраиваясь в систему, когда нужно преодолеть одну ступеньку, вторую, третью, пятую. Здесь, если у вас есть идеи и возможности привлекать специалистов, можно совершить большие прорывы.

— Ваши ожидания оправдались на данный момент?

— Невозможно было даже представить в 2017 году, что произойдет с нами за эти годы. Путь был непростой, но каждый раз что-то новое рождалось из сложностей и проблем. Вот свежий пример: химические поисковики стали недоступны, нам отказали в софте, который мы использовали. И мы стали развивать у себя новое направление — химический софт. Это самое быстрое, что можно было придумать, потому что мы понимаем, как это должно выглядеть, начали сотрудничать с производителем оборудования.

— Получилось импортозамещение или импортоопережение?

— Замещение функций. В IT все двигается семимильными шагами. Нет смысла повторять старую программу, нужно сделать ее на новом движке, используя методы машинного обучения, ИИ. Преобразовать гигантскую систему, которую создавали годами, гораздо тяжелее, чем создавать все с нуля. Новая программа работает быстрее, у нее лучше алгоритмы, лучше софт, и вы обгоняете тех, кто пользуется старой программой, а у них нет необходимости создавать новую программу, поэтому работают со старой.

Кандидат химических наук, выпускница аспирантуры Научно-образовательного центра Инфохимии Университета ИТМО пишет формулу химического соединения

НОЦ Инфохимии Университета ИТМО

На пороге роботизации химии

— В вашей истории многое перекликается с историей взлета биоинформатики. Только у вас IT соединяется с классической химией, а там — с классической биологией.

— Вы правильно пришли к аналогии. Биоинформатика работает с известными механизмами, здесь уже революции произошла  70 лет назад. В этом году исполнилось 70 лет открытия структуры ДНК и этому была посвящена статья в журнале Natura.

— Да, в «Стимуле» тоже было интервью Джеймса Уотсона о том, как открывали ДНК.

— Дальше из базового знания получилось сделать технологию: исследователи научились секвенировать ДНК, сначала вручную, потом с помощью роботов. Сейчас такая же революция назрела в химии. Сначала было мало данных, а теперь появились методы умножения данных. Химия — это миллионы и миллиарды молекул и взаимодействий, поэтому сейчас настало время подумать, какие реакции, молекулы, умные материалы, аналитические методики могут быть выращены на основе наших фундаментальных знаний о каких-то процессах.

Теоретические области — хемоинформатика, аспекты вычислительной химии — уже давным-давно используются и помогают нам не сразу бежать в лабораторию и синтезировать миллион молекул, а сначала попробовать предсказать константы связывания. Но революция назревает именно сейчас из-за того, что мы научились работать с не такими уж большими базами данных. Действительно большие массивы собираются годами. Например, недавно появилась программа AlphaFold (создана с применением искусственного интеллекта и предназначена для определения пространственной структуры белка. — «Стимул»). Много-много лет кристаллизовали разные белки и смотрели их структуру, и было очень важным шагом, что все научное сообщество договорилось, как эти данные хранить в одном формате, и что это будут открытые данные. Сейчас весь мир использует эту программу для определения структуры белка. Обычно эти базы не публиковались, а сегодня многие научные журналы специально просят предоставлять эти базы данных, этот подход уходит и в образовательные стратегии. И это означает, что мы с вами находимся на пороге революции роботизации химических технологий.

— Чем традиционные подходы отличаются от новых по времени, по лабораторным мощностям, по количеству человеко-часов?

— Все, что мы делаем в инфохимии, используя новые алгоритмы, должно сократить время поиска новых веществ, новых материалов с новыми свойствами. А можно замахнуться и на большее. ИИ сможет выводить дифференциальные уравнения для различных процессов. Уравнение кавитации известно, и мы сейчас хотим посмотреть: если мы скормим этой натренированной нейросети фотографии кавитационного пузыря, которые мы получили, сможет она проанализировать и вывести аналитическое уравнение кавитации? Если сможет, то мы сможем для неизвестных явлений предлагать новые уравнения и менять целые области. Посмотрим. Этих подходов пока не существует. Мы их разрабатываем.

— Когда может появиться лекарство, разработанное с помощью ИИ?

— Создание лекарств — это всегда совместная работа всех компьютерных программ и мощностей, включая человека. Если мы говорим про лекарства и выход на клинические испытания (на человеке) то понятно: что бы ИИ ни разработал, это будет проходить апробацию.

Здесь возможны интересные проекты в области быстрого реагирования на разные заболевания.

И у нас уже есть такой опыт с ковидом. Во время пандемии были случаи использования уже известных лекарств для лечения новых вирусов. Это быстро и удобно: вы понимаете, какова мишень, считаете константы связывания и используете известное лекарство в новой ситуации, экономя время на прохождении всех стадий испытаний.

Пандемия нам показала, что сегодня наука готова решать очень сложные вопросы. Вы обратили внимание, как быстро были предложены методики лечения, новые вакцины? Эффективность новаций была доказана вычислительными методами. Вакцины, которые предлагал Pfizer (мРНК-вакцины. — «Стимул»), еще нескоро разрешили бы использовать, если бы не пандемия, потому что все, что связано с вакцинами, проходит еще более сложные протоколы апробации, чем обычные лекарства.

Наши вакцины были построены по классическим методикам, и они тоже работали, а западное сообщество использовало пандемию как возможность быстрого внедрения новых технологий.

— В российской экономике все заметнее внимание к реальному сектору. Когда-то великий химик Дмитрий Иванович Менделеев советовал Николаю Второму не продавать сырую нефть (он считал, что это все равно что топить ассигнациями), а заняться переработкой. А переработка — это всегда химия. Активизация перерабатывающих отраслей ускорит развитие химии и инфохимии?

— Сегодня появляется множество новых интересных проектов. Один из них — с «Газпромом»: вычислительные методы в химии используются для предсказания свойств антиокислительных добавок в масла. Тут в применяемых методах мы активно идем по стопам фармакологии, собираем базу данных. Идея в том, чтобы с использованием этой базы можно было найти молекулы, которых еще не существует, запатентовать их и начать выпуск продукции. Это не завтрашний день, это происходит уже сегодня. И таких проектов у нас в центре несколько. И в России в целом это направление очень активно развивается.