Gaming the System: Videospillere hjelper forskere til å eliminere proteinfeltproblemet


Hva om hjernekraften som brukes til å spille videospill, kan kanaliseres mot noe mer produktivt, for eksempel å hjelpe forskere med å løse komplekse biologiske problemer? Et team av biokjemikere og datavitenskapere fra University of Washington (UW) i Seattle rapporterer nå at de har lykkes med dette menneskelige problemløsningspotensialet. Dere

Hva om hjernekraften som brukes til å spille videospill, kan kanaliseres mot noe mer produktivt, for eksempel å hjelpe forskere med å løse komplekse biologiske problemer?

Et team av biokjemikere og datavitenskapere fra University of Washington (UW) i Seattle rapporterer nå at de har lykkes med dette menneskelige problemløsningspotensialet. Deres konkurransedyktige online-spill "Foldit", utgitt i 2008, lytter til hjelp av online-puslespillere som hjelper til med å sprekke en av vitenskapens mest ugjennomtrengelige mysterier - hvordan proteiner brettes i sine komplekse tredimensjonale former. Spillerne "puslespillere" løser er 3-D-representasjoner av delvis foldede proteiner, hvilke spillere manipulerer og omformes for å oppnå det største antall poeng. Resultatene er basert på biokjemiske tiltak av hvor godt spillernes sluttstruktur samsvarer med måten proteinet ser ut i naturen.

Når forskerne analyserte strategiene ansatt av en gruppe på 57.000 Foldit-spillere, fant de at mennesker var bedre på noen aspekter av mønstergenkjenning og proteinstruktur prediksjon enn dagens beregnende programvare. Faktisk har spillerne overgått datamaskinen på fem av 10 puslespill og levert lignende resultater på tre andre puslespill ved å bruke mer varierte tilnærminger til løsninger som ikke brukes av datamaskinen. Resultatene vises online 4. august i Nature (er en del av Nature Publishing Group).

Forskerne håper å innlemme de nylig identifiserte strategiene i datalgoritmer for forbedrede automatiserte bestemmelser av proteinstruktur. Det ultimate håpet er å bruke disse teknikkene til å designe nye proteiner for å bekjempe sykdommer som Alzheimers og kreft, samt utvikle vaksiner mot HIV og malaria.

"Dette er en ny og spennende tilnærming til å takle [komplekse] vitenskapelige problemer, " sier Seth Cooper, doktorgradsstudent i datavitenskap og engineering ved UW og leder forfatteren av papiret. "Vi får folk involvert, folk som ikke nødvendigvis har noen trening i biokjemi og vitenskap. Her er en måte for alle som har en lidenskap og interesse for vitenskap for å hjelpe bare ved å spille et videospill."

Proteiner er arbeidshestene i kroppen - ulike typer proteiner er involvert i nesten hver cellulær prosess, fra kopiering av gener til å fordøye mat. De beveger seg rundt i kroppen og tjener en stor strukturell funksjon som består av en stor del av muskel og hud, for eksempel.

For å utføre sine myriade funksjoner, samhandler proteiner med andre molekyler, og disse interaksjonene er høyt avhengige av proteinets 3-D form. Ukorrekt brettede proteiner ligger til grunn for mange sykdommer, inkludert kreft og cystisk fibrose, samt Alzheimers, Parkinsons og Creutzfeldt-Jakobs sykdommer. Derfor, for å bedre forstå hva et protein gjør, må forskerne oppsummere strukturen.

Forstå hvordan proteiner oppnår deres optimale, funksjonelle 3-D form er ikke en enkel oppgave. Faktisk, i 2005 oppførte Vitenskapen "proteinfoldingsproblemet" blant de 125 mest overbevisende vitenskapelige problemene. Vi har kjent i flere tiår at spaghettilike-strengen av aminosyrer som utgjør et protein, bestemmer dens 3-D form. Og takket være det menneskelige genomprosjektet, kjenner vi alle aminosyresekvensene av alle proteinene i kroppen. Det er imidlertid et astronomisk antall måter hvor en gitt streng kan brettes inn i en 3-D struktur, og bare en av dem er funksjonell. Hvordan proteiner i naturen løser dette problemet og bretter seg ordentlig på bare sekunder, har forvirret forskere i flere tiår. Var et protein å teste ut hver av de mulige strukturene en etter én, det ville ta opptil 10 80 sekunder for å komme fram til riktig struktur, en lengde på 60 størrelsesordener som er større enn universets alder. Det er klart at det er noen "regler" som styrer hvordan og hvor raskt proteiner brettes.

Forskere vil lære disse reglene og til slutt kunne forutsi 3-D form som et ukjent protein vil vedta, informasjon som kan brukes til å utvikle nye stoffer for å behandle sykdommer eller til og med å designe nye proteiner med nye enzymatiske evner, for eksempel syntetisering biodrivstoff eller nedbrytende giftige stoffer.

En måte å få denne informasjonen på er å bruke datamaskiner som tester ut mulige proteinkonstruksjoner, er bare den typen oppgave som prosessorer kan håndtere effektivt, selv om det bruker store mengder ressurser og tar fortsatt mange år. For å få fart på det, har forskere utviklet proteinbasert prediksjonsprogramvare som bygger på "distribuert databehandling", en brute force-tilnærming hvor mange personlige datamaskiner som kjører programmet, gir ledig CPU-tid til å beregne proteinfoldingsproblemer. I essens er en rekke datamaskiner bundet sammen for å danne "supercomputer" som prøver et stort antall forskjellige proteinstrukturer.

Foldit dukket opp fra en av disse distribuerte databehandlingsprosjektene, en skjermsparer som prøver å finne innfødte proteinkonstruksjoner ved å gjøre tilfeldige endringer i proteinet så raskt som mulig, ved å bruke så mange personlige datamaskiner som tilgjengelig. Ble utviklet av en teamledd Av David Baker, medforfatter av studien og professor i biokjemi ved UW. "Folk begynte å skrive med at de så at datamaskinen gjorde feil ting, og ønsket å vite om det var noe de kunne gjøre, sier Baker. Hans gruppe mistenkte at de kunne forbedre programvarens proteinstrukturs prediksjonskapasiteter hvis de kunne legge til menneskelig resonnement og romlig problemløsende evner, slik at de oppnådde hjelp fra datavitenskapere, inkludert Cooper og hans rådgiver, Zoran Popovi.

"I den distribuerte beregningsmodellen kjører en gjeng med datamaskiner samme algoritme, " sier Cooper. "I tilfelle av Foldit er spillet fordelt på en rekke forskjellige spillere, og hver av dem har et unikt perspektiv - sin egen algoritme, på en måte."

I deres papir beskriver forskerne en bestemt klasse av delvis foldede proteiner med et brettproblem som spillerne ser ut til å være spesielt flinke til å løse. Disse proteinene har både et eksponert hydrofobt (vannavvikende) område som "ønsker" å bli begravet i en indre region, og et praktisk "hull" i proteinkjernen for å plassere det vannfryktende domenet. Cooper forklarer at dette er et ganske vanskelig problem for en datamaskin å løse, og krever omlegging av proteinet på en måte som i utgangspunktet ikke er gunstig. "Det er den typen ting der en person kan se på den og se [løsningen], " sier Cooper. Spillerne var i stand til å omorganisere proteinet til den mer optimale formen, selv om det krevde trekk som førte til at spillerne mistet poeng.

"De har lykkes med å bli en stor del av menneske-maskin kommunikasjon arbeid, " sier Peter Wolynes, professor i kjemi, biokjemi og fysikk ved University of California, San Diego som også studerer protein-struktur prediksjon, men var ikke involvert i studere. Han bemerker at datamaskiner fortsatt utfører bedre på å komme opp med mulige strukturer fra en featurløs, utfoldet aminosyrekjede. Etter at datamaskiner gjengir delvis foldede strukturer, gir dette spillet "folk en automatisk måte å trekke [proteinene] fra hverandre. Når [spillere] vet hva reglene er og kan visualisere dem, kan de bringe deres intelligens til det, sier han, og legger til at "del av vitenskapen gjenkjenner deler som ser dårlig ut", en oppgave som er vanskelig å sette inn i matematiske algoritmer.

Så hva er neste for Foldit? Cooper sier at de har gitt spillere muligheten til å designe nye proteiner som ikke eksisterer i naturen, og har begynt å teste de spillerdesignede proteinene i laboratoriet. "Forhåpentligvis vil vi ende opp med en spiller som kommer til å kurere for sykdom, " sier Cooper. "Vi har ennå ikke kurert noen sykdommer, men det er et av målene. Dette er en sjanse til å bruke videospill for menneskeheten, for en god hensikt."