Украинский инженер работал над одним из первых 3D-изображений коронавируса. Мы с ним поговорили

Криворожанин Юрий Свидиненко какое-то время работал в металлургической промышленности. Затем начал заниматься биотехнологиями и 3D-визуализациями медицинских процессов и объектов, основал свою компанию и переехал в Калифорнию. Зимой 2020 года его команда участвовала в создании одной из первых детальных и научно-достоверных 3D-визуализаций коронавируса SARS-CoV-2.

Редактор AIN.UA поговорила с Юрием о том, как создавалась эта визуализация.

Расскажите, откуда у вас интерес к биотехнологи?

История того, как я пришел в биотехнологии — довольно длинная. Еще с детства я очень увлекался биологией и микроорганизмами, изучал их в микроскоп. Даже соревновались с другом детства: кто найдет, опишет и зарисует больше разных микроорганизмов.

Я мечтал учиться на врача-хирурга, но не хватило денег на жилье, поэтому поступил в Криворожский национальный университет, на специальность «электропривод и автоматизация промышленных систем и роботов». Но биологию не бросал, параллельно увлекся программированием и биоинформатикой.

На последних курсах работал на Криворожском металлургическом комбинате, как инженер по запуску и наладке всех сложных систем и автоматизации систем управления. Успел поработать и на доменных печах, и на прокате.

Как начали заниматься визуализацией биотехнологий?

Конечно, все это время я скучал по биологии, старался быть в курсе, читать книги, профильные издания. Задумывался о применении электроники и систем приводов в медицине, заинтересовался биомашинами (пример такой биомашины — жгутики у бактерий, устроенные по принципу электродвигателя). Начал заниматься визуализацией таких вещей.

Научно-точная визуализация в биотехнологиях и медицине — довольно полезная вещь, она наглядно дает понять, как все устроено и как все работает. В том числе, на том молекулярном уровне, который для невооруженного глаза уже недоступен. Ученые и все, кто интересуется этой темой, с помощью визуализаций могут изучать сложные молекулярные механизмы, вроде синтеза той же АТФ.

Вместе с этим, в 2001-2003 годах со стартаперами из Москвы делал сайт по нанотехнологиям Nanonewsnet, публиковали там новости и препринты из зарубежных изданий. Тогда как раз появилась необходимость в собственных визуализациях: ведь мы не могли просто брать картинки из зарубежных СМИ и перепечатывать у себя. Поэтому я начал осваивать 3D-редакторы, в частности, 3D Studio Max, делать иллюстрации.

Помню, как заработал на 3D-визуализации первые деньги: мы писали большую статью о крионике (сохранение человеческого тела путем заморозки — ред.). Сделали к статье иллюстрации в 3D Studio Max, и они завирусились, сначала в США, потом в Европе, тогда эту тему все обсуждали. И нам начали приходить письма с просьбой использовать мои картинки. С нашими иллюстрациями даже марки выпустили. Если поискать их по nanobot cell repair — Google до сих пор их помнит:)

Это было переломное событие для меня: я продал права на использование своих иллюстраций за $1500, понял, что этим можно зарабатывать. А на эти деньги купил горный велосипед.

Как запустили свою компанию по био-визуализациям?

Наш проект о новостях нанотехнологий замедлился, у нас не было понимания, как его монетизировать, и я из него вышел, хотя сайт работает и по сей день. Я начал заниматься инженерными решениями для отопления и водоснабжения и параллельно — визуализацией. За это время, с 2005 по 2012 год, накопилось довольно много опыта в этой отрасли. Начал делать уже не только иллюстрации, но и анимации. Вот одно из тех видео, которые в научной среде получили большой фидбек — анимация механизма метастазирования раковых опухолей:

Тогда же познакомился со своим будущим бизнес-партнером Андреем Конюхом, и вместе начали развивать Nanobot Medical, компанию, которая делает именно медицинские визуализации. Мы создавали ролики для фармкомпаний (среди наших клиентов был и Pfizer, и Novartis, и Bayer), вузов, исследовательских лабораторий, медучреждений.

Примеры медицинских 3D-визуализаций, которые делала компания — ред.:

Также примерно 4 года назад я переехал в Калифорнию, Сан-Диего, теперь живу и работаю здесь.

Как подключились к проекту про коронавирус?

Еще одно направление нашей деятельности: создание видео для стартапов. В Долине множество компаний основываются профессорами, преподавателями вузов, бывшими студентами. У них может быть классная идея по технологии, но у них не получается донести ее инвестору. А у того есть максимум 2-3 минуты на принятие решения, и стартаперу нужно за это время успеть его убедить. С помощью видео это сделать легче, чем с помощью презентации или обычного питча.

Так, в январе 2020 года мы познакомились со стартапом Turn Therapeutics из Y Combinator, и с командой из института Скриппса в Сан-Диего. Стартап прошел в Y Combinator с идеей препарата, который будет останавливать коронавирус на ранних стадиях.

Про сам вирус SARS-CoV-2 тогда очень мало знали, знали, что он бушует в Китае, и на этом все. Этот стартап предложил нам нарисовать коронавирус, показать, как он поражает клетки. У них на руках были публикации ученых из Уханя, а у нас — возможности визуализации и кристаллография от ученых из Скриппса. Мы решили собрать это все в одну кучу, исследовать механизм действия коронавируса, и показать, как он выглядит.

Все это — и видео, и картинки — мы сделали за несколько месяцев. Закончили работу как раз, когда Трамп объявил локдаун. Стартапу мы сделали большой дискаунт, потому что было очень интересно работать над этим проектом. И было ощущение, что ты делаешь что-то важное и полезное для всего мира.

Как создавали фото и видео коронавируса?

Мы за месяц сделали фото и структурную визуализацию самого вируса, и потом еще два месяца делали само видео. Постоянно проверяли достоверность, запрашивая фидбек у ученых.

У нас на руках было много данных по микроскопии вируса от самого стартапа и от команды из института Скриппса, и мне кажется, вирус получился довольно достоверным. К примеру, многие рисуют коронавирус с симметричными шипами и гладкой формы, но это не так. На самом деле, эти «шипы» (спайк-белки) довольно часто имеют нерегулярную структуру. И их количество разнится от 30 до 120.

Данные о том, как выглядит вирус на поверхности, получили с помощью сканирующего электронного микроскопа. Для этого готовится культура из вируса, его высушивают в вакууме, затем опыляют очень тонким слоем атомов серебра. Они хорошо проводят электричество и с их помощью можно измерить туннельный эффект. В результате ученые на изображениях видят «рельеф» вируса с разным значением тока туннелирования. После этого изображения разбивают на небольшие фрагменты и изучают.

Известно, что оболочка вируса состоит из липидов («кирпичей» любой клеточной стенки) — они давно изучены и их не надо было воссоздавать. Нашей основной целью было изучение спайк-белков: было мало известно о том, как они на самом деле выглядят.

Поэтому параллельно мы изучали данные, полученные на ренгтен-микроскопе: ренгтен-кристаллографию вируса. Ведь длина волны гамма-лучей сопоставима с размерами отдельных атомов,, и поэтому можно восстановить структуру вирусного белка поатомно. Затем эту информацию записали в специальный структурный PDB-файл.

Все эти данные мы перевели в 3D в виде полигонов и точек, а затем собрали в Cinema4D. Анимацию и рендеринг делали с помощью Redshift 3D+AE: на видео мы показали, как вирус проникает в клетку.

Условно говоря: у нас на руках были готовые чертежи, а нашей задачей было на их основе собрать реалистичную симуляцию, и проверить ее. И придумать, в какой цвет покрасить вирус.

Конечно, при таких размерах про настоящий цвет речь уже не идет, поэтому окраску мы выбирали по вкусу. Сначала мы его покрасили в голубой и оранжевый, потом поняли, что вирус в такой расцветке недостаточно агрессивно выглядит. И выбрали более тревожную гамму: красный, розовый, фиолетовый. Нам хотелось показать, что вирус ничего хорошего, конечно, не несет, но в нем есть своя красота и симметрия.

Мы хотели привлечь к нему внимание. Хотели, чтобы картинка как бы говорила зрителю: я — опасный вирус, запомните меня хорошенько, ведь нам еще более 100 лет существовать вместе.

Это была первая визуализация вируса?

Параллельно над этим работало много команд, например, знаю о команде из Индии, которые сделали очень известный ролик по коронавирусу. Есть команда Visual Science, они подготовили качественную модель, но позже нас, в ней очень детально показана упаковка ДНК вируса.

Нужно учитывать, что коронавирус можно изобразить разными методами, и каждый рисунок, при условии научной достоверности, будет правильным. Также, как и человека, вирус можно нарисовать схематически, а можно — фотореалистично.

Наша детализация — где-то посреди между фотореалистичным фото и карандашным наброском. У нас очень точно показаны спайк-белки, но менее точно — липиды его мембраны (но они и не очень важны, поскольку давно изучены).

Можно сказать, мы были одни из первых. Мы сделали 3D-визуализацию еще зимой 2020 года, но из-за NDA долго не могли ее показывать. А когда весной смогли опубликовать, подобных визуализаций было уже много. Но могу сказать, наша была хорошо известна в профессиональной среде ученых и визуализаторов. К примеру, это фото попало в печатный альманах ассоциации медицинских иллюстраторов AMI — каталог мировых достижений в области медицинских визуализаций:

Для чего нужна такая визуализация?

Во-первых, она — научно-корректная, спайк-белки там — именно такие, как они и выглядят в природе. Она важна для врачей, чтобы они понимали, как это все работает. Ведь, к примеру, не все представляют, какого размера антитело и какого — вирус. А в нашем видео хорошо показано, какие размеры антител, куда они пристыковываются к вирусу, почему не происходит инкапсулирование вируса клеткой и т.д.

Для ученых такие визуализации — это подсказки о структуре и активных компонентах вируса. Плюс, с помощью 3D-модели можно проводить симуляции. К примеру, если исследователь изучает компаунды (молекулы, которые соединяются с мишенями — таргетами) для коронавируса, с помощью симуляции можно посмотреть, как будет работать их решение.

К примеру, если бы к нам пришла компания и попросила проверить гомеопатический препарат от коронавируса, сделать видео о том, как он работает, мы бы отказались: ведь на видео плавал бы один коронавирус, а молекул вещества вокруг него не было бы:).

Наши визуализации показывают ученым то, что нельзя увидеть своими глазами, на основе данных микроскопии. Мы получаем модели, с помощью которых можно проверять гипотезы, на которых можно проводить симуляции. И которые показывают, как все на самом деле устроено.