Stavíme mikroskop z jedniček a nul

Luboš Brim z katedry teorie programování se celý život věnuje ověřování funkčnosti počítačových systémů, které postupně pronikají do všech oblastí lidského života. Najdeme je v autech, elektrárnách i lékařských přístrojích. Vědci ale začali přicházet na to, že podobnost umělých počítačových a reálných přírodních systémů může pomoci i s poznáváním toho, jak funguje příroda nebo lidské tělo. Pomezní disciplínou nazývanou výpočetní systémová biologie se na fakultě informatiky v posledních letech zabývá právě i profesor Brim.

Jak spolu souvisí verifikace počítačových systémů a biologie?
Zjistilo se, že kupodivu docela dost. Mnohé dnešní počítačové systémy jsou vnitřně tak složité, že se začínají podobat těm přírodním. Ke zkoumání biologických systémů se tak dají využít metody podobném těm, které informatici používají k vývoji a ověřování počítačových systémů. Výpočetní systémová biologie, které se věnuji, se zabývá právě využitím specifických informatických metod pro analýzu komplexních paralelních systémů při zkoumání biologických systémů. Je to obor, který sice pracuje s biologickými daty, přetváří je ale do řeči informatiky, pracuje s digitálním počítačovým modelem.

Na čem je tento přístup založený? Z čeho vychází?
Základní myšlenkou je komplexní systémový pohled. Víme například, že řada nemocí nemá jen jednu příčinu. I když se dnes snaží vědci například primárně zjistit, který gen má co na svědomí, nejsme jen touto cestou schopni vysvětlit celou řadu aspektů lidského života. Ukazuje se, že vše, co se děje, je souhra mnoha faktorů. Abyste tedy nějaký fenomén mohl vysvětlit, nemůžete zkoumat jen oddělené jednotky, musíte uplatnit i systémový pohled, musíte zkoumat, jak jednotky vzájemně interagují.

Můžete to na něčem ilustrovat?
Představte si, že před vás rozložím na součástky starý tranzistorový radiopřijímač, řeknu vám přesně, co která dělá, a pak po vás budu chtít, ať mi vysvětlíte, jak rádio funguje. Nemožné. V biologii to platí stejně. Musíme pochopit, jak spolu věci souvisí. Až pak se nám totiž ukážou takzvané emergentní vlastnosti. Žádná z jednotlivých částí celku, řekněme třeba buněk, je nemá, objevují se, až když je dáte dohromady a vytvoříte z nich systém.

Jak vypadá práce na vytváření modelů přírodních systémů v praxi? Jakou máte metodu?
V přírodních vědách často nezkoumáte realitu, ale model v laboratoři. Vytvoříte hypotézu, tu se snažíte experimentálně vyvracet, a když se vám to podaří, uděláte další a lepší, až se dostanete k modelu, který jakžtakž věrně odráží určité aspekty reality. V informatice je tomu naopak. Jsme z tohoto pohledu vlastně bozi. Sedneme si a podle nějakých představ a zadání naprogramujeme systém. De facto tedy podle modelu vybudujeme realitu. Abychom pak zjistili, jestli naše realita správně funguje, používáme verifikaci. V systémové biologii se oba přístupy kombinují. Na základě experimentálních dat se vytváří počítačový model reality, který se verifikuje a zkoumá informatickými metodami a následně pak experimentálně validuje.

Co je výsledkem?
Můžete se počítače například zeptat, jaká bude stresová reakce bakterie na zvýšení koncentrace cukru v okolním prostředí.

Takže než udělám experiment, můžu si to vyzkoušet na počítači?
V ideálním případě vůbec nemusíte tzv. „mokrý“ experiment dělat. V tom by mělo být to kouzlo. Vždy říkám, že se vlastně snažíme pro biology udělat nový typ mikroskopu. Nebudou muset pracovat výlučně s realitou, nahradí ji částečně abstraktním modelem, na který budou nahlížet tímto mikroskopem. Bude to rychlé – nemusíte čekat, až vám na Petriho misce něco vyroste. A také levné – nemusíte nakupovat laboratorní sklo nebo chemikálie. V konečné fázi se ale samozřejmě provedení reálného experimentu nevyhnete.

Vždy je tam nějaká míra zkreslení.
To jistě. Pracujete jen s modelem. Experimentální validací ale můžete dosáhnout velké míry jistoty. Problém spíš je, že v realitě není možné vše změřit a zadat do modelu. Některé parametry modelu jsou pro biology obtížně zjistitelné, nebo jen s jistou nepřesností. Zabýváme se proto nyní i tím, jak tyto parametry matematicky co nejlépe odhadovat.

Do jaké míry to od vás vyžaduje, abyste rozuměl biologii?
Já konkrétně nejsem v pozici, že bych musel, ale náš hlavní expert David Šafránek má relativně dobré znalosti z biologie. Pro úspěch našeho projektu je však žádoucí mít v týmu plnohodnotného biologa. My si dokážeme vymyslet ledasco, ale někdo nás musí propojovat s biologickou realitou. Bohužel právě na tom nám trochu vázne další pokrok. Obtížně hledáme mezi biology partnery. Každý se spíše drží svého. Doufám, že se objeví doktorandi či mladí vědci, kteří od začátku budou otevření systémovému přístupu.

Co je pro vaši disciplínu největší výzva?
Velký problém je, že každý dobrý model, který je alespoň trochu věrný, začne být enormně komplikovaný a my ho neupočítáme. Současně s vývojem nových metod proto hledáme i způsoby, jak zrychlovat výpočty a efektivně využívat například superpočítače proto, aby platila zmiňovaná výhoda rychlé a levné systémové analýzy. Tedy aby biolog nemusel pět týdnů čekat, než se něco spočítá, nebo nestál ve frontě na výpočetní výkon a raději si neudělal experiment po staru v laboratoři.

Je reálné, že někdy budeme schopni zvládnout rozumné modely lidského těla jako celku?
To je hudba velmi vzdálené budoucnosti. Ještě stále neumíme rutinně řešit daleko jednodušší úlohy, například na genetické úrovni. Konečným cílem ale samozřejmě je postoupit k větším celkům, které propojují více úrovní lidského organismu. To je podobné, jak jsme to zažili s genetikou, z velice skromných začátků se nakonec podařilo zmapovat lidský genom, i když to trvalo téměř dvacet let. Dnes je genetika a molekulární biologie vědní obor číslo jedna. V systémové biologii to bude trvat asi ještě déle. Za velmi krátkou dobu své existence zatím nepřinesla, a ani nemohla, žádný velký biologický objev. Zatím vlastně jen ověřujeme naše přístupy, porovnáváme je s jinými a snažíme se reprodukovat již známé výsledky. Věřím ale tomu, že můžeme velmi rychle akcelerovat.

Co byste si představoval jako ideální výsledek vaší práce? Hotový počítačový systém, který si bude biolog sám obsluhovat?
Dnes již existují počítačové programy, pomocí kterých mohou biologové provádět simulace chování přírodních systémů, vkládat různé parametry a analyzovat výsledky. Jedná se ale o jednoduché simulace a vlastně jen dílčí experimenty. Ano, je to levnější a rychlejší, ale nedává nám to ten kýžený komplexní systémový pohled. Ideální by bylo, kdyby si biolog mohl sednout k počítači, tam si vymodelovat systém a ihned na něm začít formulovat a ověřovat hypotézy.

Dnes se už věnujete výhradně systémové biologii. Původně vás a váš tým proslavila práce v oblasti verifikace paralelních systémů. Kdy se ta změna odehrála?
V roce 2006 jsme byli právě pro naše úspěchy ve verifikaci paralelních systémů přizváni k účasti na evropském projektu, který měl za úkol použít informatické metody ke zkoumání vlastností střevní bakterie Escherichia Coli. V projektu jsme měli možnost spolupracovat s lidmi, kteří stáli u zrodu systémové biologie. Byla to velice inspirativní a zajímavá práce. Po skončení projektu jsme se rozhodli v započatém výzkumu pokračovat. Dnes jsme v Česku prakticky jediní, kdo se této disciplíně systematicky věnuje, a máme dokonce jako jediní akreditovaný ucelený studijní obor systémová biologie. Náš výzkum je však i nadále úzce propojen s výzkumem paralelních systémů. Jsem proto i nyní kromě laboratoře systémové biologie částečně činný i v laboratoři paralelních a distribuovaných systémů. Naše přístupy se vzájemně mohou inspirovat a mnohé studované otázky jsou podobné. Zjednodušeně řečeno nás vlastně odděluje jen aplikace.

Co vás přesně proslavilo v oblasti paralelní verifikace?
Je potřeba si uvědomit, že dnešní počítačové systémy, používané například pro řízení letového provozu, jsou natolik složité, že již nestačí jen takzvaně otestovat, jestli pracují správně. A to prostě proto, že nemůžete ověřit každou variantu, která může nastat. Musíte mít metody, které uchopí systém jako celek. Tyto metody jsou ale výpočetně velmi náročné, což souvisí s tím, že odpovídající výpočetní prostor, který je třeba kompletně prozkoumat, je extrémně veliký, a dokonce ho často ani nelze umístit do počítače. Jak vyřešit tento problém exploze výpočetního prostoru, zajímá výzkumníky již několik desetiletí. Byly navrženy velice sofistikované metody pro redukci prostoru, jeho kompresi, vhodnou reprezentaci či abstrakci. My jsme se vydali jinou cestou. Řekli jsme si, že když prostor zaplní počítač, tak jednoduše připojíme další a další. Ponecháme tedy systém, jak je, nebudeme ho nijak zmenšovat, ale zvýšíme prostě výpočetní sílu. To se může zdát celkem triviální, problém ale je, že musíte vyvinout zcela nové algoritmy, které zajistí, že se bude výkon sčítat a ne jen řadit vedle sebe. S kolegy Ivanou Černou a Jiřím Barnatem se nám několik takovýchto unikátních algoritmů podařilo vymyslet. Náš úspěch souvisel i s tím, že jsme se trefili do správné doby. Paralelní počítače v té době začaly být běžně dostupné a naše řešení našlo reálné využití. Měli jsme tak trochu štěstí.

Mluvíte o výpočetně tak náročných úlohách, že je nezvládají dnešní počítače vyřešit. Jak se v tom všem dokáže orientovat člověk, jehož kapacita je v určitých ohledech ještě omezenější?
V informatice se všechno rychle vyvíjí, což je dáno zejména pokrokem v technologiích. Nechci, aby to znělo příliš banálně, ale algoritmus je pořád jen algoritmus. Centrální myšlenky nejsou až tak fundamentálně odlišné od toho, nad čím přemýšlely matematické mozky před dvaceti nebo třiceti lety. Možná se to změní a přijde nějaký velký objev. Zatím se tak ale podle mého názoru nestalo.

Neděsí vás někdy, že stále více věcí v našich životech řídí počítače? Nemůže nám hrozit, že nás technologie ovládnou?
Svým způsobem nás technologie již ovládají. Řada komplikovaných systémů se stává něčím jako přírodním fenoménem. Jsou zde a musíme se s nimi naučit žít. Třeba internet už nemůžete prostě vypnout a zastavit. Někdy se proto říká, že informatika je z jistého pohledu experimentální věda. Abychom mohli zjistit, jak něco třeba na internetu funguje, musíme provést pokus, internet nelze testovat jako běžný program. Takže ano, je možné, že nějaký systém začne po čase žít vlastním životem. Ale není to něco, z čeho bych měl obavu. Neočekávám, že se něčeho takového ještě dožiju.

Jaké máte vy sám do budoucna ambice?
Už jsem to naznačoval. Naše ambice pro nejbližších deset let je přinést biologům počítačový nástroj, který by jim umožnil modelovat biologické systémy a analyzovat, jaký vliv mají vnitřní interakce na dynamiku jejich chování. Současně ale potřebujeme vychovat nový typ studentů, kteří si budou vědomi systémového přístupu, budou se sebevědomě pohybovat na pomezí biologie a informatiky a umožní efektivní využití obdobných nástrojů pro výzkum v biologii. Proto také připravujeme s kolegou Šafránkem učebnici o výpočetní systémové biologii, která by tomuto cíli měla napomoci. Samo napsání je celkem technická záležitost, ale chci, aby to bylo zajímavé počtení doprovozené vtipnými příklady a fotografiemi. Oprášil jsem kvůli tomu svoji prastarou zálibu ve focení. Uvidíme, jak to půjde.

Masarykova univerzita | Masaryk university