Detta är ett av de proteinpussel som spelare kan möta när de spelar Foldit. Klicka här för att se en större bild av denna bild. Skärmdump med tillstånd av The Center for Game Science, Datavetenskap och teknik, University of Washington Att spela videospel är inte precis raketvetenskap, men tack till Foldit, det kan vara molekylärbiologi.
Ungefär.
Utvecklat 2008 av University of Washington forskare, online -spelet för flera spelare ökar människans sinne för rymdresonemang av tiotusentals spelare. Ensam och i lag, dessa amatöranalytiker tävlar om att knäcka de mest förvirrande pussel som irriterar molekylära biologer idag:hur enskilda proteiner och deras komponenter aminosyror viker sig.
Svaret är mer värt än att skryta eller uppnå prestationer (spel talar för när en spelare genomför en särskilt fantastisk uppgift); det ger möjlighet att leverera läkemedel som en dag kan stoppa sjukdomar som humant immunbristvirus (HIV) döda i deras spår.
Det är inte konstigt att en sådan buzz uppstod när en publikation från 2011 i tidskriften Nature Structural &Molecular Biology rapporterade att Foldits spelare hade tagit fram ett viktigt protein i Mason-Pfizer apa-virus ( MPMV ), den simianska versionen av HIV, som hade stymt forskare i mer än ett decennium.
Som John Henry kontra ånghammaren eller Garry Kasparov kontra Deep Blue, Foldit -spelare visade att människor fortfarande har en sak eller två att lära ut maskiner; till skillnad från Henry, vem dog, eller Kasparov, som förlorade i en omkamp, de proteinviktande spelarna har fortfarande en kant över brute-force-nummersprutningen av superdatorer.
För att förstå omfattningen av denna prestation och vad den kan innebära för hivs framtid, låt oss titta på varför förståelse för hur ett protein viker är så viktigt.
Här är en snabb, visuell uppdelning som visar hur proteinerna passar in i vårt genetiska smink. Bild med tillstånd av U.S. Department of Energy Genome Programs Proteiner är ansvariga för många funktioner i kroppen, allt från att omvandla mat till energi till att leverera kemiska budskap. Varje proteins speciella origami bestämmer både dess roll och dess förmåga att ansluta till andra molekyler. Det är som om ett protein vore en kedja som består av tusen lås, alla buntade i en boll:Om du ville designa ett läkemedel för att påverka det, du skulle behöva veta vilka lås som vändes utåt, och i vilket mönster, så att du kunde klippa en uppsättning nycklar för att passa dem.
Särskilda proteiner spelar viktiga delar i viktiga händelsekedjor. Forskare prisar dessa proteiner för att de representerar en sårbarhet som de kan utnyttja för att bromsa eller stoppa en sjukdom, Inklusive retrovirus som HIV och MPMV. A retrovirus är ett virus som bär sin genetiska information som ribonukleinsyra (RNA) istället för DNA. Dessa virus transkriberar sitt RNA till DNA, istället för tvärtom, permanent infogar sin genetiska kod i den infekterade cellens genom och omvandlar den till en fabrik för att göra mer retrovirus.
Retrovirus förlitar sig på en proteinkatalysator som kallas proteasenzym som en del av deras reproduktionsprocess. Inhiberar att protein kastar en apnyckel in i ett retrovirus förstörelsemaskineri. Verkligen, sådana proteashämmare används redan för att behandla HIV -infektion hos AIDS -patienter [källa:Britannica].
Tyvärr, retas ut strukturen av sådana proteiner är ett av de svåraste pussel vi känner till. Tänk dig att fylla en gigantisk låda med trassliga julgransljus, oanvända Slinky leksaker, taggtråd, tejp och elektromagneter, sedan skaka den och vända den, och slutligen försöka gissa vilken form du hade gjort. Du har bara börjat repa ytan på komplexiteten i denna uppgift. Proteiner kan bestå av mer än 10, 000 atomer styck, bilda kedjor, underkedjor och bindningar i otaliga kombinationer; faktiskt, det finns fler sätt att vika ett protein än det finns atomer i universum [källa:Bohannon].
Sådan komplexitet är mer än ens en superdator ibland kan hantera, särskilt för att datorer inte är särskilt bra på att arbeta med tredimensionella former. Så, forskare började leta efter ett snabbare och mer effektivt sätt att knäcka proteinstrukturer. Deras lösning? Använd den medfödda rumsliga analysförmågan hos den mänskliga hjärnan. Foldit föddes. Nästan omedelbart, det började betala utdelning.
I detta nästa avsnitt, vi ska titta närmare på hur Foldit fungerar, vad spelare har åstadkommit med det och om de botade hiv eller inte.
En väsentlig del av urmakarens hantverk består i att montera en samling känsliga delar i ett så kompakt utrymme som möjligt, samtidigt som du ser till att de trånga kvarterna inte stör tidurets funktion.
I Foldit, spelare använder en enkel låda med verktyg för att manipulera formen på ett protein. Tanken är att böja, vrida, flytta och skaka proteinets sidokedjor och aminosyrans skelett så att hela strukturen packas in i sin optimala form. Spelare vet att deras lösning fungerar när de blir av med kollisioner mellan sidokedjor av atomer, dölja de hydrofoba kedjorna inuti proteinet, vänd de hydrofila kedjorna utåt och ta bort stora tomma utrymmen som hotar proteinets stabilitet - allt detta återspeglas i deras poäng.
Poängen, tillsammans med regler för tillåtna drag, härrör från fysikens lagar som reglerar proteinvikning. Termodynamik berättar att naturliga system tenderar mot tillstånd med lägre energi. Andra fysiska lagar, såsom den ömsesidiga attraktionen av motsatta laddningar, avstötning av liknande laddningar och begränsningar av hur atombindningar kan ordnas och roteras, är också inbyggda.
Foldit -programmet abstraherar detaljerna till en form som ögat kan uppfatta och hjärnan kan greppa. Fysik hanteras bakom kulisserna, frigöra spelare att manipulera formerna genom noggrann analys, tarminstinkt eller vilken metod som passar dem.
Inom ett år efter introduktionen, Foldit-spelare producerade proteinvikande lösningar som överskådade de som lämnats av molekylära biologer. Inspirerad av tidiga framgångar, Foldits skapare tillämpade programmet på andra proteiner och gav spelare i uppdrag att designa nya proteiner för att bekämpa cancer, AIDS och Alzheimers sjukdom. Till exempel, p53 -tumörsuppressorproteinet är skadat hos många cancerpatienter. Om den repareras eller byts ut, ett sådant protein kan stoppa tumörtillväxt.
Framgångsrika proteasenzymet MPMV är grundstenen i Foldits karriär hittills. Innan de kom dit dock spelarna slog igenom tiotusentals ständigt förbättrade prototyper tills, mindre än tre veckor efter att de började, de hade löst just detta proteinpussel [källa:Niemeyer]. Det var inte ett botemedel mot hiv, men tack vare en retroviral familjeliknande, MPMVs proteinkatalysator hjälper forskare att bygga bättre antiretrovirala läkemedel för att bekämpa hiv.
Foldit är inte utan sina begränsningar, det är inte heller en Rosetta Stone för alla proteiner. Ändå, det gjorde det möjligt för en skara spelare att förutsäga strukturen hos ett protein som hade trotsat alla traditionella metoder, och det ensam motiverar dess värde som ett verktyg för molekylär analys.
Crowdsourcing och distribuerad datorAlltmer, forskare utnyttjar masssamarbeten för att billigt generera idéer och ta med sig en mängd olika perspektiv på forskningsfrågor. Foldit är en datorstödd form av sådana crowdsourcing , men folkmassor kan också hjälpa datorer. Till exempel, i distribuerad databehandling , människor frivilligt sin dators lediga tid för att användas för att lösa ett problem. Individuellt, dessa bearbetningscykler räknas inte så mycket, men kombinerat, de lägger till en virtuell superdator. Gjord känd genom sökandet efter utomjordisk intelligens SETI@home -program, distribuerad databehandling hjälper också till att modellera proteinstrukturer. Rosetta@home, utvecklades också vid University of Washington, har installerats på hundratusentals värdmaskiner, tillhandahålla ett värdefullt alternativ till mer traditionella proteinanalytiker, Till exempel Röntgenkristallografi och kärnmagnetisk resonansspektroskopi ( NMR ).
