Fold.it to niezwykły projekt łączący świat nauki ze światem codziennym. Pozwala wszystkim ludziom, niezależnie od wieku, zainteresowań czy wykształcenia przyłożyć rękę do rozwoju medycyny czy biotechnologii. Z uwagi na niedawne osiągnięcia warto szerzej wspomnieć o amerykańskim projekcie. Skąd się wziął? Ja  to działa? Zapraszam do lektury.

Jednym z najważniejszych obecnie zadań biologii czy biologii molekularnej i biochemii jest znajomość struktury białek. Jeśli znany jest kształt – łatwiej przewidzieć dokładnie funkcje danego białka oraz umiejscowić go w szlakach biochemicznych komórek. Jest to niezwykle istotne przy projektowaniu leków, szczepionek, środków aktywnych o znanym lub zaplanowanym mechanizmie działania. Umożliwia również stworzenie środków niwelujących działanie toksyn organicznych.

Sekwencjonowanie białek nie jest zadaniem tak trudnym, kosztownym i czasochłonnym jak określanie jego struktury przestrzennej. Komputery na podstawie sekwencji są w stanie metodą testowania miliardów kombinacji określić z pewnym przybliżeniem rzeczywisty kształt cząsteczki. Jednak na przestrzenną budowę białek wpływa tak wiele czynników, że analiza tych oddziaływań nawet przy udziale supermocnych komputerów trwa bardzo, bardzo długo.

Nawet dla niewielkiego białka liczba możliwych sposobów sfałdowania jest astronomiczna. Określenie, które z tych struktur są możliwe najlepsze, jest uważane za jeden z najtrudniejszych problemów biologii. Obecnie stosowane metody zajmują zazwyczaj dużo czasu i pochłaniają wiele pieniędzy.

Oryginalny pomysł amerykańskich naukowców

Fold.it jest eksperymentem przygotowanym dzięki współpracy kilku wydziałów Waszyngtońskiego Uniwersytetu: Informatyki, Biochemii I Inzynierii. Projekt Fold.it tworzyli Ci sami naukowcy, którzy wykreowali Rosetta@home. W maju 2008 roku oficjalnie uruchomiono wersję beta programu.

Naukowcy dzięki programowi Fold.it próbują przewidzieć strukturę białka, korzystając z ludzkiego umysłu, jego intuicji oraz wykorzystując naturalną wolę walki i współzawodnictwa (poprzez konkurencję tworzenia najlepszych białek). Pomysłodawcy Fold.it któregoś dnia zadali sobie pytanie: a gdyby zamiast komputerów zaangażować w działania setki czy tysiące ludzi?

Dlaczego? Bowiem dostrzegli szansę w tym, że człowiek potrafi wyprzedzić maszynę: wykonać lepiej i szybciej pewne działania związana m.in. z projektowaniem.

Możliwość wdrożenia projektu w życie dał rozwój Internetu i jego szeroka dostępność na całym świecie. Grupa informatyków zaprojektowała program do ustalania struktury białek w formie gry: na wstępie gracz zapoznaje się z działaniem programu - uczy się poruszać po trójwymiarowej strukturze białka. Poznaje właściwości aminokwasów dzięki czemu jest w stanie prawidłowo ustalić oddziaływania pomiędzy poszczególnymi fragmentami cząsteczki białka.

Aplikacja wygląda jak skrzyżowanie programu naukowego i gry komputerowej. Na początku mamy "wstępnie" sfałdowane białko. Możemy nim poruszać, przeciągać pewne elementy, kręcić helisami, zginać arkusze beta. W zamian otrzymujemy punkty, które odzwierciedlają obliczony teoretycznie stopień uporządkowania białka. Gra jest niezwykle intuicyjna - piłki naszpikowane kolcami informują nas o tym, ze dane elementy na siebie zachodzą, zielony kolor łańcucha aminokwasowego, iz jest on w korzystnej energetycznej konformacji itd.- opowiada Maciej Kaźmierczyk, współautor sukcesu.

Kiedy proponowana przez gracza struktura jest korzystna – czy raczej stabilna, bowiem takiej poszukują badacze – wówczas gracz otrzymuje punkty. Na stronie dostępny jest ranking najlepszych, który zachęca do rywalizacji.

Poza możliwością „fałdowania białka” w celu znalezienia optymalnej struktury gracze mogą także konstruować zupełnie nowe białka – w ten sposób pomagając w odkrywaniu nowych, czynnych biologicznie związków. Przy okazji eksperymentu bada się, czy ludzie mogliby zastąpić komputery przy poszukiwaniu struktur białek.

Czy ten projekt rzeczywiście się sprawdza?

Odpowiedź jest jak najbardziej pozytywna. Świadczy o tym niedawny, głośny sukces: opracowanie struktury proteazy wirusa Masona-Pfizera (M-PMV), odgrywającą kluczową rolę w procesie dojrzewania wirusa HIV oraz jego proliferacji.  To nie pierwszy sukces graczy Fold.it, choć ten jest może najbardziej spektakularny – 15 lat poszukiwań naukowców zostało zwieńczone rozwikłaniem przez graczy zagadki w czasie trzech tygodni.

Wcześniej rozpracowywano m.in. struktury białek wirusa grypy H2N2.

Długa droga do odkrycia

 W całej pracy rozszyfrowania struktury białka uczestniczyły trzy grupy:

- grupa I. Pichovej [z Czech], która od lat bada proteazy z M-PMV, dostarczyła nam białko i inhibitor;

- grupa M. Jaskólskiego (czyli my) - zrobiliśmy kryształ, zmierzyliśmy go, później rozwiązaliśmy strukturę krystaliczną i opisaliśmy białko

- grupa Davida Bakera - napisali grę komputerową, w którą został wrzucony nasz problem.

– opisuje Maciej Kaźmierczyk. 

Krótko mówiąc: cała publikacja opisuje metodologię, która została użyta do rozwiązania tzw. problemu fazowego, który jest kluczowy w określaniu struktur trójwymiarowych białek. Problemu tego nie mogliśmy rozwiązać dla naszego białka ok. 4 lata - wysypywały się na nas wszystkie dostępne programy. Ostatecznie niejako przez przypadek dowiedzieliśmy sie o Bakerze i jego innym projekcie - Rosseta, dzięki której rozwiązali trochę wcześniej bardzo podobną strukturę. Ostatecznie i Rosseta nie poradziła sobie z tym problemem i niejako od niechcenia problem został wrzucony do rzeczonej gry.

I w końcu problem rozwiązał…

Fold.It! O samym fakcie dowiedzieliśmy się dopiero, kiedy przyszły wyniki. Bardzo obiecujące wyniki.

Znajomość struktury tej proteazy jest niezwykle ważne. Co prawda, wirus ten atakuje małpy, nie ludzi, lecz mimo tego odkrycie to zasługuje na szczególna uwagę. Pozwoli zaprojektować strukturę leku dla chorych na AIDS.

Co sądzą o projekcie sami uczestnicy? 

Uczestnikami projektu może zostać każdy – nie trzeba mieć wyższego wykształcenia. „Fałdowanie” może być odprężającą grą po ciężkim dniu i tak też bywa traktowana. Jednocześnie to jeden z najpotężniejszych projektów świata, zaangażowanego z działalność naukową. Korzystający z potencjału tysięcy ludzkich umysłów.

Rafał Kiełbus, znajdujący się w pierwszej dziesiątce w ogólnoświatowym rankingu najlepszych graczy, opowiada:

Po raz kolejny CASP9  [dziewiąty Critical Assessment of Techniques for Protein Structure Prediction z 2010 roku]udowodnił, że ludzie potrafią "zwijać" lepiej niż same komputery. Ponadto nasza praca jest potem wykorzystywana przez Rosette. Czasem my obrabiamy predykcje z Rosetty, a czasem nasze wytwory trafiają do Rosetty do dalszej przeróbki.

Z tego typu projektem wiążą się także pewne problemy:

Największą bolączką jest moim zdaniem sam program. Mamy trochę za mało "wolności" w tworzeniu nowych układów, dostępne narzędzia nas ograniczają. Zgłaszamy pomysły, ale wygląda na to, że załoga jest zbyt mało liczna, żeby rozwijać projekt w tak wielu kierunkach na raz.

Dla farmacji projekt ten niejednokrotnie oznacza skrócenie czasu projektowania leków, a tym samym mniejsze koszty związane z jego tworzeniem. Program Fold.it wydaje sie być odpowiedzią na zapotrzebowanie rynku nowych leków, zwłaszcza tych, które mają zapobiegać lub eliminować pojawiające się coraz częściej nowe, nieznane do tej pory szczepy drobnoustrojów i produkowanych przez nich toksyn. Daje również nadzieję przewlekle chorym na to, że zdążą skorzystać z nowych preparatów mających ulżyć im w chorobie. Pomysł prosty. I  genialny w swej prostocie.

Dodatkowe materiały:

Wywiad z Zoranem Popović  profesorem WU, współtwórcą, projektu Fold.it (wywiad dla CNN):

http://www.cnn.com/video/?/video/tech/2011/09/20/video-game-aids-break-through.cnn

Oficjalna publikacja na temat odkrycia zamieszczona została na stronie Washington University:

http://www.cs.washington.edu/homes/zoran/NSMBfoldit-2011.pdf

Dziękujemy serdecznie rozmówcom za udzielenie informacji.

Red. Joanna Roga, Blanka Majda

Źródła:

http://en.wikipedia.org/wiki/CASP

http://Fold.it