Мы уже рассказывали кратко о полезной онлайн-игре «Фолдит» (Foldit — «сложи это», см. новость http://www.nanonewsnet.ru/…chnoi-rabote), созданной американскими учеными. Играя в нее, вы можете помочь научному прогрессу, причем участвовать могут не только дипломированные специалисты, но и простые смертные. Предлагается решить одну из самых важных, обширных и нудных задач в биологии — определить правильную конформацию белка по его первичной последовательности. Но в игре от нудности не осталось и следа. На экране — разноцветная цепочка, которую надо сложить по определенным правилам. За верное решение начисляются очки, у каждого игрока есть собственный рейтинг. Можно объединяться в группы и решать задачи сообща — и при этом двигать биологию вперед.

Как известно, белок в своем первичном, «раскрученном», состоянии, — это просто линейная цепочка аминокислот. Каждая аминокислота в этой цепочке обладает определенными свойствами — она может быть гидрофильной или гидрофобной, положительно или отрицательно заряженной, и так далее.

В зависимости от этих своих свойств аминокислоты начинают взаимодействовать. Гидрофобные аминокислотные остатки слипаются друг с другом и прячутся внутрь белковой молекулы, где нет воды. Гидрофильные же остатки торчат наружу, ведь содержащаяся в цитоплазме вода им ни капельки не страшна. Противоположно заряженные аминокислоты притягиваются, а одинаково заряженные — отталкиваются. Там, где это возможно, между аминокислотами возникают дисульфидные мостики и водородные связи.

Рис. 1. «Фолдит», скриншот игры. Стрелочками показаны: свойства белковой цепи: 1 — слишком близко расположенные атомы; 2 — водородная связь; 3 — гидрофобный аминокислотный остаток; поскольку он не защищен (то есть не спрятан внутрь молекулы белка), на нём «висит» желтая капелька; 4 — гидрофильный аминокислотный остаток; 5 — сегмент белкового «хребта» (то есть основной цепи), имеющий повышенную энергию и поэтому выделенный красным. Рабочие инструменты игрока: 6 — «резинки», с помощью которых игроки могут управлять автоматическими инструментами; 7 — «замораживание» белкового «хребта», сохраняющее данный участок неизменным при изменениях других областей белка. Интерфейс игры: 8 — панель, на которой показан текущий статус игрока, включая количество заработанных очков; 9 — список лучших игроков-одиночек и лучших команд; 10 — панель дополнительных инструментов и опций; 11 — чат для общения с другими игроками; 12 — «кулинарная книга» для создания новых автоматических инструментов, или «рецептов», по работе с белком.

В результате всех этих взаимодействий белковая цепочка начинает изгибаться и сворачиваться, пока, наконец, не достигнет такой конформации, на которую «согласны» все содержащиеся в ней аминокислоты. В этом состоянии внутренняя энергия молекулы белка минимальна.

Рис. 2. Пазл, в котором необходимо вначале «расплести» белковую цепочку, а потом сложить ее правильно (изображение из обсуждаемой статьи в Nature).

Казалось бы, нет ничего проще, чем высчитать, какую конформацию примет белок, исходя из его аминокислотной последовательности. Но не тут-то было! Одна-единственная возможная конформация существует только для совсем коротеньких и простых белков. Чем белок длиннее, тем больше различных конформаций он может принять, но только одна из них будет верной. И в результате бедный ученый остается один на один с длиннющей аминокислотной последовательностью, которая может сложиться десятью разными способами.

Конечно, существует специальная программа под названием «Розетта», которая высчитывает правильную конформацию белка исходя из его аминокислотной последовательности (или, наоборот, подбирая оптимальную последовательность под структуру искусственно синтезируемого белка).

Но — увы! — и «Розетта» совершает ошибки. Судя по всему, компьютер зачастую просто не может вычислить верную структуру белка, потому что для этого необходимы человеческое пространственное мышление и интуиция.

Большая группа американских ученых решила подойти к проблеме с другой стороны и превратить занудную и просто неохватную задачу (ведь белков — десятки и сотни тысяч) в интересную игру.

Условия игры просты: дается аминокислотная последовательность и игрок крутит и вертит ее до тех пор, пока она не приобретет оптимальную трехмерную структуру. Чтобы ввести в курс дела новичков, есть несколько тренировочных задачек-пазлов, решая которые, можно разобраться в основах игры. Чтобы подогреть активность участников, разработчики создали рейтинг лучших игроков (причем, как оказалось, некоторые из лучших игроков профессионально занимались биохимией). Кроме того, решать пазл можно не только в одиночку, но и целой командой.

Как оказалось, люди нередко справлялись с предложенным пазлом лучше, чем «Розетта» — особенно тогда, когда для достижения правильной конформации нужно было вначале слегка распутать белковую цепочку, в результате чего ее энергия повышалась. Программа в таких случаях заходила в тупик и выдавала неправильное решение, поскольку в нее было «забито», что повышение энергии — вещь нежелательная. Однако для людей это не было проблемой, поскольку они понимали, что после того, как они повернут цепочку желаемым образом, ее энергия снова понизится. К тому же, каждый человек применял свою уникальную тактику для решения задач, а программа всё время действовала однотипно.

Слепой тест показал, что из десяти предложенных пазлов люди справились с задачей лучше, чем «Розетта», в пяти случаях, в двух случаях победил компьютер, а три случая можно назвать ничьей. Разработчики полагают, что идеальным вариантом было бы комбинировать «Фолдит» и «Розетту», чтобы людям не пришлось возиться с первоначальной укладкой белковой цепи, которую может хорошо выполнить компьютер, а приниматься за дело только тогда, когда для дальнейшего складывания белка потребуется человеческий взгляд.

Сайт игры: http://fold.it/portal/. Чтобы начать играть, надо зарегистрироваться и поставить на компьютере специальную программу. О том, как всё это сделать, написано здесь:http://fold.it/…/node/987307.

Результаты проведенных исследований представлены в статье: Seth Cooper, Firas Khatib, Adrien Treuille, Janos Barbero, Jeehyung Lee, Michael Beenen, Andrew Leaver-Fay, David Baker, Zoran Popović & Foldit players. Predicting protein structures with a multiplayer online game. – Nature. – 2010. – V.466. – P.756–760.

По материалам: