Fold It - Partnerzy w nauce
Transkrypt
Fold It - Partnerzy w nauce
Fold It! Rozwiązuj zagadki dla nauki Jacek Francikowski Białka budują nasze ciało, tworzą zręb każdej żyjącej komórki, a ich ilość w ludzkim organizmie szacuje się na ponad 100 tysięcy rozmaitych typów. Dzięki genetyce molekularnej znamy sekwencję genetyczną wielu białek, jednak to czego nie wiemy, a co wydaje się dużo ważniejsze to to, jak białka składają się w skomplikowane kształty, których zakamarki odgrywają kluczową rolę biologiczną. Ciągle nie rozumiemy jak komórki fałdują łańcuchy aminokwasów tak, by powstało prawidłowe białko, jak wybierają prawidłową konformacje. A przecież funkcjonalność białka jako enzymu czy receptora jest ściśle uzależniona od jego kształtu (chodzi szczególnie o kształt centrum aktywnego, tj. miejsca bezpośrednio łączącego się z substratem czy ligandem). Na przykład enzym, który rozkłada glukozę by komórka mogła jej użyć jako źródła energii będzie miał kształt odpowiedni do rozpoznania i połączenia się z glukozą. Trójwymiarowość takiego układu sprawia, że nawet małe, kilku aminokwasowe białko ma właściwie nieograniczoną ilość tzw. konfiguracji przestrzennych. Na szczęście dzięki pracy fizyków i chemików możemy znacząco ograniczyć ich pulę. Odkryto kilka podstawowych zasad określających budowę białka: mostki siarczkowe, wiązania wodorowe czy oddziaływania elektrostatyczne, dodatkowo aminokwasy hydrofobowe ukrywają się wewnątrz struktury, a hydrofilne znajdziemy na jej powierzchni (umożliwia to funkcjonowanie białka w środowisku wodnym). W ten sposób spośród milionów kombinacji poprzez użycie komputerów można wybrać kilka-kilkaset, które z punktu widzenia termodynamiki i wiązań są najbardziej energetycznie efektywne. Przypomina to kule na wzniesieniu, stacza się ona do jego podnóża, osiąga ona energetycznie optymalny stan – podobnie jest z fałdującym się białkiem. en.wikipedia.org Tymi poszukiwaniami i analizami zajmują się obecnie komputery. Jednak efektem ich pracy jest kilka najbardziej prawdopodobnych układów, na dodatek bez badań laboratoryjnych nie sposób stwierdzić, który z nich jest tym prawidłowym. Dodatkowo analiza komputerowa trwa długo i pochłania olbrzymie ilości mocy obliczeniowej. Okazuje się jednak, że w pewnych sytuacjach człowiek radzi sobie dużo lepiej niż komputer. Oczywiście nie w przypadku obróbki olbrzymiej ilości danych, natomiast gdy chodzi o konkretne układy potrafimy o wiele sprawniej przewidywać. Nic nie może zastąpić wiedzy, doświadczenia i intuicji. Program Foldit daje nam możliwość sprawdzenia swoich możliwości jako badacz skomplikowanych układów aminokwasów. Foldit (co można tłumaczyć jako „fałduj” lub „zginaj”) jest pierwszym tego typu projektem składania drugo- i trzeciorzędowych struktur białek, w którym mogą brać udział internauci z całego świata. Najważniejsze jest to, że każdy może wziąć udział w zabawie, nie potrzebne jest wykształcenie ani specjalistyczne przygotowanie. Liczy się wyobraźnia przestrzenna i dużo zapału. Jak mówią autorzy: „Próbujemy użyć mocy ludzkich mózgów na całym świecie, żeby posunąć naprzód badania biomedyczne". Pomysłodawcą przedsięwzięcia jest David Baker z Uniwersytetu Waszyngtońskiego. W 2005 r. stworzył on projekt nazwany Rosetta@home (http://boinc.bakerlab.org/rosetta/). Jest on biologicznym odpowiednikiem programu SETI (poszukiwania cywilizacji w kosmosie), wykorzystuje on wolną moc obliczeniowa naszego komputera w poszukiwaniu najbardziej prawdopodobnych układów białek. Program nadal jest prowadzony i każdy zainteresowany może przyłączyć się do tego niezwykłego przedsięwzięcia. Zarówno Rosetta@home jak i Foldit używają jako środowiska programu „Rosetta protein-folding". instantfundas.com Jednak autorzy postanowili pójść dalej i stworzyć interaktywne środowisko, gdzie skomplikowane matematyczne procesy przyjęły by formie ciekawej zabawy. Tak zrodził się Foldit. Każdy zainteresowany może pobrać Foldit (freeware) ze strony http://fold.it/portal/. Po jego zainstalowaniu i rejestracji możemy zacząć działać. Na początku znajdziemy oczywiście krotki samouczek (Tutorial), który wprowadzi nas w tajniki i opcje gry. Nie będziemy tutaj omawiać wszystkich opcji i możliwości jakie daje ten niezwykły program. Zachęcamy każdego by sam spróbował swoich sił w tej „życiowej” łamigłówce. Niektóre z zagadek są dość trudne i wymagają dużej cierpliwości oraz doświadczenia; zwykle kilkukrotnych prób nim trafi się na skuteczne rozwiązanie. Zadaniem gracza jest potrząsać, przestawiać, rearanżować, rozciągać i zginać aminokwasowe łańcuchy. Czasem konieczne jest także utworzenie struktur alfalub beta-heliksu. Na stronie WikiaScience (http://foldit.wikia.com/wiki/FoldIt_Wiki) znajduje się zbiór informacji na temat białek i tworzących je aminokwasów jak i dokładny opis dostępnych komend i strategii. playthisthing.com Do tej pory do gry włączyło się tysiące graczy, którzy spędzają nad proteinowymi łamigłówkami długie godziny. Co jest przyczyną sukcesu Foldit? Wynika on z faktu, że nie jest to ani proste przesuwanie klocków ani żmudne analizowanie kolumn z liczbami. Gra zaprojektowana jest tak, pod katem graficznym jak i interfejsu, aby „przyciągnęła jak najszerszą widownię… i aby angażowała graczy na dłużej". Dodatkowo grę uatrakcyjnia możliwość rywalizacji lub współpracy miedzy graczami przy rozwiązywaniu zadań. Najlepsi gracze trafiają na czołówki rankingów, a białka które odkrywają są potem syntetyzowane i badane w laboratoriach. www.goomedic.com Istnieje również strona społecznościowa tego programu — gracze mogą czatować na forach i dzielić się swoimi rozwiązaniami na WikiScience. Trwa ciągła rywalizacja między najlepszymi graczami i zespołami. Oczywiście tylko część graczy traktuje to jako wyzwanie naukowe, dla większości to ciekawa i wymagająca rozrywka umysłowa. Jednak intencje nie są istotne, ważne, że dzięki swemu zaangażowaniu i pomysłowości możemy wziąć udział w czymś wyjątkowym. Autorzy programu mogą użyć graczy także w inny sposób. Zbierają oni informacje nie tylko o tym jaki efekt osiągają gracze ale również jak do niego dochodzą. Sam sposób rozwiązania problemu też jest cenny gdyż postępując analogicznie w przypadku innych białek łatwo można osiągnąć pożądane rezultaty. Na podstawie strategii stosowanych przez graczy można ulepszać algorytmy programów takich jak Rosetta. Takie podejście okazało się niezwykle skuteczne, a nowe algorytmy radzą sobie z problemami dużo szybciej. Z czasem badacze mają nadzieję ze zaproponują graczom rozwikłanie tajemnicy białek związanych z wirusem HIV, rakiem czy malarią. Miałoby to bezpośrednie przełożenie na stworzenie skuteczniejszych leków i terapii. Można spodziewać się, że już niedługo będziemy mogli projektować kompletnie nowe białka nie istniejące w przyrodzie, by moc przeprowadzać ważne dla nas reakcje. W ten sposób biotechnologia mogłaby wejść na kompletnie nowy poziom swego rozwoju. Już są pierwsze wyniki takich prób Jednak by moc to robić musimy poznać reguły jakimi rządzą się aminokwasowe przeplatance. Im więcej wiemy na temat fałdowania się białek tym lepiej poznajemy swój organizm i funkcjonowanie świata żywego. Jacek Francikowski