Вирусы всё ещё остаются проблемой для человечества. Дело в том, что против них бессильны антибиотики, спасающие нас от бактериальных инфекций. Учёные изобретают всё новые средства борьбы со СПИДом, гепатитом C или, например, лихорадкой Эбола, не так давно бушевавшей в Африке.
Между тем, в начале XX века новый штамм самого обычного гриппа – "испанка" – унёс, по разным оценкам, от 20 до 50 миллионов жизней, что в несколько раз превышает боевые потери в Первой мировой войне. Сейчас он опознан как А/H1N1 и успешно поддаётся лечению, но до окончательной победы над микроскопическими убийцами ещё далеко.
Одна из причин в том, что вирус невозможно увидеть даже в самый совершенный микроскоп – он попросту меньше длины волны видимого света, и такой свет от него не отражается. На помощь приходят более короткие рентгеновские лучи. Попадая на вирусные частицы, они образуют особую дифракционную картину. По ней с помощью математической обработки можно восстановить форму вируса.
Сценарий атаки инфекции на организм в общих чертах известен. Непрошенный гость прикрепляется к клеточной стенке и перехватывает управление, заставляя инфицированную клетку производить ДНК вируса вместо своей собственной. Так появляются всё новые и новые вирусные частицы, пока их не становится так много, что оболочка разрывается под их напором и клетка погибает. Гибель кирпичиков нашего организма и является причиной неприятных симптомов, осложнений и даже смерти.
Детали этой микроскопической драмы с вполне, увы, макроскопическими последствиями вплоть до последнего времени оставались практически скрытыми от учёных. Некоторое время назад международная команда исследователей собрала миллионы отдельных "снимков" вируса, используя самое быстрое на сегодняшний день оборудование, подходящее для этих целей – рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL), работающий в Национальной лаборатории ускорителей SLAC в Калифорнии.
Однако попытки очистить данные от шумов и выстроить кадры в хронологической последовательности, чтобы проследить активность вируса шаг за шагом, наталкивались на огромные вычислительные трудности. Это затрудняло выяснение деталей и, соответственно, разработку более эффективных средств борьбы с инфекцией.
Более пяти лет назад Ахмад Хоссейнизадех (Ahmad Hosseinizadeh), сотрудник университета Висконсина-Милуоки, вместе с коллегами начал разработку алгоритма, решающего эту задачу. Это была огромная работа на стыке физики дифракции, машинного обучения и таких областей математики, как дифференциальная геометрия и теория графов.
И вот недавно была создана первая 3D-анимация, демонстрирующая активность вируса перед вторжением. В частности, она показывает, как меняется со временем структура вирусной частицы и как формируется специальная трубочка для внедрения ДНК патогена в клетку. Кроме того, учёные выяснили и другие важные подробности процесса.
Исследователи надеются, что разработанный ими метод поможет и в дальнейшем получать детальную информацию о поведении разных вирусов, а также создавать новые, более совершенные лекарства.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Methods.
