От батареи до лекарства от рака
Михаил Медведев
Ирина Пшеничникова

Михаил Медведев, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Лаборатории рентгеноструктурных исследований ИНЭОС РАН, инженер-исследователь Лаборатории молекулярного моделирования и направленного синтеза ИОХ РАН.

Мы продолжаем диалоги с молодыми учеными, и на этот раз выясняем, как обстоят дела в естественно-научном секторе. Наш сегодняшний собеседник - квантовый химик Михаил Медведев к своим 24 годам успел уже весомо заявить о себе не только в российском, но и мировом научном сообществе. И теперь помогает нам разобраться, что есть квантовая химия, чем она отличается от "классической" прикладной, а также как собранная на продленке батарея со временем может привести к разработке лекарства от рака...

- Михаил, поясни, пожалуйста, для начала – что такое "квантовая химия"?

-  Квантовая химия - это попытка использовать квантовую физику для решения химических проблем: например, найти эффективный катализатор (ускоритель реакции). Как это решают "классические" химики? Они синтезируют различные катализаторы, смотрят, как влияют разные заместители в них на ускорение реакции, и ищут оптимальный. Для этого им надо синтезировать много-много новых катализаторов. Мы это решаем по-другому: мы моделируем на компьютере химическую реакцию и точно так же меняем заместители и ищем те, которые будут способствовать оптимальному выходу. Проблемы экспериментаторов, во-первых, в том, что всё синтезировать - очень дорого, а во-вторых - они никогда не работают с чистым веществом: достаточно плохо помытой колбы - и реакция пойдёт совершенно по-другому. В нашем же случае мы работаем с чистым веществом: что мы нарисовали – то и есть, ничего другого, и, в отличие от прикладных химиков, мы всё знаем про нашу систему и можем это делать более-менее быстро, поскольку нам не надо ничего синтезировать. Но при этом делаем это не совсем "честно", а используя физико-химические модели. Они часто неплохо работают, но не всегда дают правильные ответы. Поэтому мы друг друга, так скажем, взаимодополняем.

- Когда у человека такая необычная и интересная профессия, сразу становится интересно, почему и зачем он в неё пришёл. Как это получилось в твоём случае? 

- Мой дедушка – папин отец – всю жизнь интересовался наукой, хотя никогда не был учёным. Он коллекционировал выпуски библиотечки "Квант" и другие научно-популярные советские издания, очень много знал и постоянно мне о чём-то рассказывал. С другой стороны, моя мама окончила РХТУ им. Менделеева и, хотя никогда не работала по специальности, о существовании этого вуза я знал давно.

Классе в четвертом по моей инициативе мы с друзьями втроём попытались собрать батарею из цинковых и медных пластинок прямо на продлёнке. У меня была книжка «Экспериментируем дома», и я притащил её в класс (думаю, теперь я уже могу об этом рассказать, и завуч не будет задавать мне вопросы). После того, как гальванический элемент, который мы собрали, не заработал должным образом, мы решили его зарядить, засунув для этого в розетку, после чего он заискрил, и мы спешно его оттуда вытащили. Так что точные и прикладные науки мне нравились с самого детства...

Родители отправили меня в ЭШЛ (экономическую школу-лицей), где биология в адаптированной форме изучалась уже в начальной школе. В пятом классе мне пришлось перейти в «мини-школу» в Кузьминках, откуда я при первой возможности – в седьмом классе – перешёл в школу "Импульс" при лицее №1502 при МЭИ, а в девятом классе – поступил в сам лицей. В девятом я понял, что на школьном уровне мне химия нравится больше, чем физика, потому что по физике мы в то время проходили уравнения движения, а по химии что-то красивое, яркое и опять же практическое. И в десятом классе перешёл уже в Московский Химический Лицей.

В лицее мне практически сразу удалось попасть в лабораторию - там было принято, что все работают. Я попросился в лабораторию электролиза и с десятого класса до конца первого курса работал в ней. Там я познакомился и поработал с людьми (среди которых отдельно хочу отметить Иловайского Алексея Игоревича), которые заложили во мне фундаментальное понимание химии как науки. Наши лицеисты, кто хотел остаться в химии, выбирали в основном между двумя вариантами: либо Высший химический колледж - факультет РХТУ (который я в итоге закончил), либо химический факультет МГУ.

- Почему ты решил поступить именно в РХТУ?

- Я поступал и поступил и туда, и туда: сдавал, в частности, ЕГЭ по физике для МГУ - в РХТУ он не требуется, хорошо написал вступительный экзамен на химическом факультете - но когда надо было принимать решение - выбрал РХТУ. Во многом моё решение было обусловлено тем, что именно РХТУ выбрала Мария Панова – девушка, которая тогда уже мне очень нравилась.

Одним из очень удачных моментов обучения в РХТУ является то, что у нас изначально один день в неделю был без занятий, и я мог полноценно работать; в МГУ для этого приходилось бы выкраивать часы по вечерам. А с точки зрения образования сильной стороной ВХК однозначно является то, что там не учат почти ничему "лишнему", а во-вторых - очень сильная математика (по крайней мере, у нас был замечательный преподаватель с мехмата МГУ – Лапшин Евгений Александрович –, который много внимания уделял ещё и философии науки). В МГУ более классическое образование: там надо учить всё. Сейчас у меня есть возможность это сравнить: из пяти моих нынешних студентов, двое учатся в ВХК, а двое - в МГУ. Разница очень чувствуется, особенно в математической подготовке, готовности разбираться в непонятном. В ВХК это прививается в основном относительно химии. А основной признак успешного ученого - это стремление разобраться в том, что сложно дается. Если человек это может - он сможет быть успешным учёным в любой тематике. ВХК даёт эту способность очень сильно в сторону химии, но очень слабо, по моим ощущениям, в сторону физики и других наук. А в МГУ приходится понимать всё, готовясь к очень тяжелым экзаменам по математике и физике, и этот процесс подготовки заставляет научиться и привыкнуть понимать непонятное, что в работе со мной очень полезно. Я могу дать студентам из МГУ те задачи, которые студенты ВХК не потянут. МГУ в этом плане очень силён. Но при этом у студентов ВХК очень много свободного времени, и в принципе они могут разобраться в чем угодно – было бы желание.

- Если на то есть внутренняя мотивация...

- Просто в МГУ даже при наличии мотивации времени настолько мало, что то, что не преподается, приходится учить ценой того, что преподается - там всё рассчитано на то, что человек не занимается ничем, кроме учебы. В ВХК же можно, учась на химика, спокойно найти время, чтобы разобраться в нейронных сетях, в программировании, в чём-то ещё. С моей точки зрения - это плюс. Я очень много занимался тем, что не преподавали. В МГУ у меня бы такой возможности не было. Там всё рассчитано на то, что человек сначала учится, а потом работает, в ВХК человек сразу работает и учится по необходимости: что ему надо - в то он вникает, что ему не надо - то проходит мимо.

В этом году ещё открывается химический факультет в Высшей Школе Экономики (я буду преподавать там часть информатики, а также химическое моделирование), но про учёбу там я пока ничего не могу сказать. Интересно, что из него получится. Но уже сейчас мне нравится, что они доверяют преподавателям и идут навстречу во многих вопросах, включая техническое и программное оснащение учебного процесса.

- Как сложилась твоя дальнейшая работа в лаборатории? Как ты пришёл к нынешнему месту работы?

- После первого курса появилась возможность поехать на стажировку в Швейцарию, но мой научный руководитель в лаборатории электролиза поставил вопрос ребром: или работа у него, или стажировка. Он считал, что ответ для меня очевиден. Я тоже так считал, но наши мнения не совпали. Я поехал в Швейцарию, а по возвращении стал искать себе новое место. Я понял, что мне хочется пойти работать в физическую химию, потому что когда-то всё же любил физику и ещё с десятого класса увлекался квантовой химией – считал то, над чем работал, на своём компьютере.

В итоге я пошёл в ИНЭОС (Институт элементоорганических соединений РАН), в Лабораторию квантовой химии и начал заниматься моделированием химических реакций – взаимодействия молекул друг с другом, чем занимаюсь и сейчас (через некоторое время наша лаборатория объединилась с Лабораторией рентгенструктурных исследований под названием последней). А через три года устроился и в Лабораторию моделирования химических реакций в Институте Органической Химии РАН - решаю их задачи и участвую в их работе тоже. Так что сейчас я работаю в двух местах.

- К своим двадцати четырём годам ты успел уже так много! Как тебе это удалось?

- Я закончил ВХК за четыре года - пятый курс сдал экстерном на четвёртом, тогда же защитил диплом, потом поступил в аспирантуру в ИНЭОСе, за два года написал диссертацию по результатам, полученным, в основном, за время учёбы в ВХК, и защитился в прошлом году. На всём этом пути мне очень помогала Мария Панова, которая в этом году стала моей женой.

- Расскажи, пожалуйста, подробнее о том, чем ты занимаешься. Чем тебя привлекает твоя тема работы?

- Нельзя сказать, что я занимаюсь одной темой – у меня есть два основных направления исследований: это моделирование химических реакций и изучение проблем и ошибок квантовохимических методов, которые могут приводить к ошибкам в моделировании химических реакций. Это две очень глобальные темы, и, разумеется, я занимаюсь определёнными подзадачами в их рамках. Моя работа носит проектный характер: я сам себе ставлю задачу, придумываю, как её решить, мы её решаем, публикуем статью и т.д. И теперь уже некоторые из моих учеников сами ставят себе задачи и успешно их решают. Кроме того, я довольно часто участвую в проектах химиков-синтетиков, которым необходимо углублённое понимание изучаемого ими процесса.

Основным моим достижением на данный момент является статья про способность методов квантовой химии к предсказанию электронной плотности (распределение электронов вокруг ядер атомов), которая вышла в "Science" –  одном из самых престижных научных журналов в мире. Есть теория функционала плотности - один из основных наиболее используемых на данный момент методов в квантовой химии, (очень «дешёвый» по сравнению с другими методами) - который связывает электронную плотность с энергией.

Мы показали, что созданные в последние 10 лет новые функционалы, хотя и часто предсказывают правильную энергию, делают это, пользуясь сильно искаженной электронной плотности – и, следовательно, не являются физичными. Это был довольно резонансный результат: за три года на эту статью набралось уже около трёхста ссылок. Когда я предложил этот проект, мой научный руководитель не поверил в его успех; но моя жена – Мария – поверила и очень помогла мне в осмыслении полученных данных.

- Есть ли, на твой взгляд, в России перспектива и дальше заниматься этой темой?

- Что касается квантовой химии - есть масса прекрасных возможностей ей заниматься буквально с нуля. На стажировке в Швейцарии мне уже была интересна эта тема, и я предложил молекулы, которые синтезировал, посчитать на суперкомпьютере, поскольку не мог это сделать на своём (суперкомпьютер представляет собой очень мощный компьютер, состоящий из множества маленьких компьютеров, соединенных между собой быстрой сетью для обмена информацией, что позволяет решать на нём большие научные задачи; суперкомпьютеры обычно создаются на деньги государства и находятся в распоряжении различных суперкомпьютерных центров - университетов и различных ведомств). Обратился к своему профессору, и выяснилось, что мы не можем так легко получить к нему доступ. Вообще получить его там довольно трудно даже именитому ученому, особенно если он раньше таким компьютером не пользовался и не может обещать быстрый результат.

В России суперкомпьютеров сейчас очень много: в МГУ и других университетах, в различных межведомственных центрах. И здесь всё получилось в разы проще: когда у меня в процессе работы здесь возникла задача, для решения которой уже не хватало серверов нашей лаборатории (я бы все четыре года учебы провел бы тогда за одними расчетами для своей первой статьи), я задался целью получить доступ к суперкомпьютеру. И мне, студенту второго курса, под честное слово научного руководителя и при поддержке вышеупомянутого профессора МГУ Лапшина Е.А. – без проблем дали доступ к суперкомпьютеру в МГУ. При том, что тогда у меня не было никакого опыта ни в расчетах, ни в программировании – я ничем не мог подтвердить свою способность им пользоваться. И я за два месяца с его помощью сделал то, на что иначе у меня ушло бы четыре года. 

- Я слышала, что по-прежнему сохраняются заметные различия в таких вещах, как, к примеру, сроки доставки реактивов? 

- Для экспериментальной химии такая проблема, действительно, актуальна, и она связана, насколько я понимаю, со страхами чиновников, которые за это отвечают. У нас очень строгое законодательство по обороту наркотических средств, а большое количество реактивов потенциально можно использовать для их синтеза. Поэтому чиновники нередко перестраховываются. Но что касается суперкомпьютеров - здесь у нас свобода, которой нет, насколько я знаю, больше нигде. После того, как у меня появилась первая статья с расчетами, я смог получить доступ к ещё целому ряду суперкомпьютеров не только в МГУ, но и в Курчатовском, и в Новосибирском институтах.

- Какие направления в сфере твоего научного интереса сейчас наиболее перспективны?

- Лаборатория в ИНЭОСе в основном занимается кристаллохимией: как устроены различные кристаллы, почему молекулы в них складываются именно таким образом, а не другим, и помимо этого – анализом связывания в кристаллах и молекулах. Это общее направление, а конкретные задачи в его рамках – это разработка методов ускорения химических расчетов с минимальной потерей точности. Основная проблема квантовой химии, что отличает её от всего остального: мы знаем, как сделать идеально правильно, но так сделать можно только за бесконечное время. Поэтому мы вынуждены делать допущения, но мы не всегда знаем, к каким ошибкам каждое из этих допущений приводит, и как они влияют на ошибки друг друга. И основная задача квантового химика-расчётчика - понять, чем можно пренебречь, а чем нельзя. Мы анализируем, чем можно пренебречь без потери точности.

В ИОХе, в основном, занимаются исследованиями на стыке химии, биологии и медицины, и с ними я взаимодействую в области моделирования связывания ферментов с различными малыми молекулами. Ферменты – это белковые катализаторы: они ускоряют определённые реакции между молекулами (их называют субстратами), которые попадают в их активные центры. Добавляя к раствору фермента различные молекулы, мы можем подобрать ту, которая будет связываться с его активным центром, не пуская туда субстраты, и таким образом выборочно "отключать" белки в организме.

Так работает огромное количество лекарств. И, в частности, сейчас мы пытаемся применить этот подход в борьбе с раком. В идеале иммунная система в организме человека должна самостоятельно бороться с раковыми клетками. Но некоторые раковые клетки, которые и образуют смертельные опухоли (потому что все другие разрушаются иммунной системой), могут нейтрализовать действие иммунной системы в районе их проживания за счёт производства определенного белка, который в свою очередь разрушает триптофан - аминокислоту, которая нужна иммунным клеткам для работы. Метод, который мы пытаемся реализовать, - это создать молекулу, которая будет блокировать этот белок настолько, чтобы в районе ракового образования осталась достаточная для работы иммунной системы концентрация триптофана, и иммунная система могла бы работать. Такая иммунотерапия при онкозаболеваниях должна быть куда более эффективной и безопасной для пациента, чем существующие подходы, и мы очень надеемся, что она заработает уже в ближайшее время.

И напоследок. Какие качества нужны человеку, если он решил посвятить себя естественным наукам и, в частности, химии, чтобы реализоваться наиболее успешно?

По моему мнению, наиболее важное здесь качество - это способность сохранять свою неуверенность в отношении любой теории, которая работает. Нередко люди выбирают себе теорию или точку зрения, которая больше всего нравится, и дальше действуют исходя из неё. Но надо помнить, что любая теория в естественных науках - это всегда модель, и из любой модели бывают исключения. Поэтому надо не останавливаться на достигнутом и искать новые подходы к углублению нашего понимания происходящего – усовершенствованию нашей модели мира.

И также не менее важна способность признавать свои ошибки. Когда я ещё учился в Химическом Лицее, и нас впервые пустили в лабораторию, нас сразу предупредили, что если мы что-то разольём или разобьём – это не проблема, проблема – это если мы об этом не скажем преподавателю. Неспособность признаться в своей ошибке в химии, да и вообще в науке – это профнепригодность. Наука движется вперёд путём изменения парадигм, и даже если ты придумал новую - когда-нибудь и она устареет, и ты окажешься в очень грустной ситуации, если будешь продолжать за неё цепляться.

Опубликовано 00 0000г.

Статьи по теме: