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