Har et videospil helbredt hiv?

At spille videospil er ikke ligefrem raketvidenskab, men tak til Foldit, det kan være molekylær biologi.

På en måde.

Udviklet i 2008 af University of Washington forskere, multiplayers online spil øger menneskersindets evne til rumlig begrundelse med titusindvis af spillers hjernekraft. Solo og i teams, disse amatøranalytikere kæmper om at knække de mest forvirrende gåder, der irriterer molekylærbiologer i dag:hvordan individuelle proteiner og deres komponent aminosyrer foldes.

Svaret er mere værd end at prale af rettigheder eller opnåelse af præstationer (spil taler for, når en spiller udfører en særlig fantastisk opgave); det giver midler til at levere medicin, der en dag kunne stoppe sygdomme som human immundefektvirus (HIV) døde i deres spor.

Det er ikke underligt, at en sådan brummer opstod, da en publikation fra 2011 i tidsskriftet Nature Structural &Molecular Biology rapporterede, at Foldit -spillere havde opdaget et vigtigt protein i Mason-Pfizer abe virus ( MPMV ), den simianske version af hiv, der havde dæmpet forskere i mere end et årti.

Ligesom John Henry kontra damphammeren eller Garry Kasparov kontra Deep Blue, Foldit -spillere viste, at mennesker stadig har en ting eller to at lære maskiner; i modsætning til Henry, hvem døde, eller Kasparov, der tabte i en omkamp, de proteinfoldende gamere har stadig en kant i forhold til brute-force talknusning af supercomputere.

For at forstå omfanget af denne præstation og hvad det kan betyde for hivs fremtid, lad os se på, hvorfor det er så vigtigt at forstå, hvordan et protein folder sig.

Proteinkraft

Proteiner er ansvarlige for mange funktioner i kroppen, alt fra at omdanne mad til energi til at levere kemiske beskeder. Hvert proteins sære origami bestemmer både dets rolle og dets evne til at tilslutte sig andre molekyler. Det er som om et protein var en kæde bestående af tusinde låse, alle samlet i en kugle:Hvis du ville designe et lægemiddel til at påvirke det, du skulle vide, hvilke låse der vendte udad, og i hvilket mønster, så du kunne klippe et sæt nøgler, så de passer til dem.

Særlige proteiner spiller en afgørende rolle i nøglekæder af begivenheder. Forskere prissætter disse proteiner, fordi de repræsenterer en sårbarhed, som de kan udnytte til at bremse eller stoppe en sygdom, inklusive retrovira som hiv og MPMV. EN retrovirus er en virus, der bærer sin genetiske information som ribonukleinsyre (RNA) i stedet for DNA. Disse vira transskriberer deres RNA til DNA, i stedet for omvendt, permanent indblandet deres genetiske kode i den inficerede celles genom og omdannet den til en fabrik til fremstilling af mere retrovirus.

Retrovirusser er afhængige af en proteinkatalysator kaldet proteaseenzym som en del af deres reproduktive proces. Hæmmer at protein kaster en abenøgle ind i et retrovirus ødelæggelsesmaskineri. Ja, sådanne proteasehæmmere bruges allerede til behandling af HIV -infektion hos AIDS -patienter [kilde:Britannica].

Desværre, at drille strukturen af ​​sådanne proteiner ud er en af ​​de vanskeligste gåder, vi kender til. Forestil dig at fylde en kæmpe kasse med sammenfiltrede juletræslys, nedlagt Slinky legetøj, pigtråd, gaffatape og elektromagneter, derefter ryste det og vende det rundt, og endelig prøver at gætte hvilken form du havde lavet. Du er kun begyndt at ridse overfladen af ​​kompleksiteten af ​​denne opgave. Proteiner kan bestå af mere end 10, 000 atomer hver, danner kæder, underkæder og bindinger i utallige kombinationer; faktisk, der er flere måder at folde et protein på, end der er atomer i universet [kilde:Bohannon].

Sådan kompleksitet er mere end selv en supercomputer undertiden kan håndtere, især fordi computere ikke er særlig gode til at arbejde med tredimensionelle former. Så, forskere begyndte at lede efter et hurtigere og mere effektivt middel til at knække proteinstrukturer. Deres løsning? Brug den medfødte rumlige analyseevne i den menneskelige hjerne. Foldit blev født. Næsten med det samme, det begyndte at betale udbytte.

I dette næste afsnit, vi vil se nærmere på, hvordan Foldit fungerer, hvad spillere har opnået med det, og om de helbredte hiv eller ej.

Molekylært urværk

En væsentlig del af urmagerens håndværk består i at samle en samling af sarte dele inden for et så kompakt rum som muligt, samtidig med at det sikres, at de trange kvartaler ikke forstyrrer urets funktion.

I Foldit, spillerne bruger en simpel æske med værktøjer til at manipulere et proteins form. Ideen er at bøje, vride, flytte og ryste proteinets sidekæder og aminosyreskeletter, således at hele strukturen pakkes i sin optimale form. Spillere ved, at deres løsning fungerer, når de slipper for kollisioner mellem sidekæder af atomer, skjul de hydrofobe kæder inde i proteinet, vender de hydrofile kæder udad og fjern store tomme rum, der truer proteinets stabilitet - som alle afspejles i deres score.

Scoren, sammen med regler for tilladte træk, stammer fra fysikkens love for proteinfoldning. Termodynamik fortæller os, at naturlige systemer har tendens til lavere energitilstande. Andre fysiske love, såsom den gensidige tiltrækning af modsatte ladninger, frastødning af lignende ladninger og begrænsninger vedrørende, hvordan atombindinger kan arrangeres og roteres, er også indbygget.

Foldit -programmet abstraherer detaljerne til en form, som øjet kan opfatte, og hjernen kan fatte. Fysik håndteres bag kulisserne, frigør spillere til at manipulere formerne via omhyggelig analyse, maveinstinkt eller hvilken metode der passer dem.

Inden for et år efter introduktionen, Foldit-spillere producerede proteinfoldningsløsninger, der overskyggede dem, der blev indsendt af molekylære biologer. Inspireret af tidlige succeser, Foldits skabere anvendte programmet på andre proteiner og gav spillerne til opgave at designe nye proteiner til bekæmpelse af kræft, AIDS og Alzheimers sygdom. For eksempel, p53 -tumorsuppressorproteinet er beskadiget hos mange kræftpatienter. Hvis den repareres eller udskiftes, et sådant protein kan stoppe tumorvækst.

Proteaseenzymet MPMV, der er gået galt, er slutstenen på Foldits karriere hidtil. Inden de nåede dertil, spillere slog titusinder af stadigt forbedrede prototyper igennem, indtil, mindre end tre uger efter, at de begyndte, de havde løst dette særlige proteinpuslespil [kilde:Niemeyer]. Det var ikke en kur mod hiv, men takket være en retroviral familielighed, MPMVs proteinkatalysator vil hjælpe forskere med at opbygge bedre antiretrovirale lægemidler til bekæmpelse af HIV.

Foldit er ikke uden sine begrænsninger, det er heller ikke en Rosetta Stone for alle proteiner. Alligevel, det gjorde det muligt for en skare af spillere at forudsige strukturen af ​​et protein, der havde trodset alle traditionelle metoder, og det alene begrunder dens værdi som et værktøj til molekylær analyse.

I stigende grad, forskere udnytter massesamarbejde til billigt at generere ideer og bringe en lang række forskellige perspektiver på forskningsspørgsmål. Foldit er en computerstøttet form for sådan crowdsourcing , men folkemængder kan også hjælpe computere. For eksempel, i distribueret computing , folk frivilligt deres computers ledige tid til at blive brugt til at løse et problem. Individuelt, disse behandlingscyklusser tæller ikke meget, men kombineret, de tilføjer op til en virtuel supercomputer. Gjorde berømt ved søgen efter udenjordisk intelligens SETI@home -program, distribueret computing hjælper også med at modellere proteinstrukturer. Rosetta@home, også udviklet ved University of Washington, er blevet installeret på hundredtusinder af værtsmaskiner, giver et værdifuldt alternativ til mere traditionelle proteinanalytiske teknikker, såsom Røntgenkrystallografi og nuklear magnetisk resonansspektroskopi ( NMR ).

Masser mere information

relaterede artikler

• Hvordan kan en PlayStation 3 donere sin behandlingskraft til medicinsk forskning?
• Hvem skal testes for hiv?
• Hvordan fungerer SETI@home?
• Hvordan Grid Computing fungerer
• Sådan virker vira

Flere store links

• Fold det
• Rosetta@home
• Retrovirus omvendt transskription (video)

Kilder

• Bohannon, John. "Spillere afslører proteinets hemmelige liv." 20. april kl. 2009. (3. oktober, 2011) http://www.wired.com/medtech/genetics/magazine/17-05/ff_protein?currentPage=all
• Callaway, Ewen. "Formen af ​​proteinstrukturer, der kommer." Natur 449, 765 (2007). (3. oktober, 2011) http://www.nature.com/news/2007/071016/full/449765a.html
• Encyclopedia Britannica. "Proteasehæmmer." Encyclopedia Britannica Online. (5. oktober, 2011) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/479619/protease-inhibitor
• Khatib, Firas, et al. "Krystalstruktur af en monomerisk retroviral protease løst af proteinfoldende spilspillere." 18. september, 2011. (3. oktober, 2011) http://www.cs.washington.edu/homes/zoran/NSMBfoldit-2011.pdf
• National Science Foundation. "Online-spillere lykkes, hvor forskere fejler, Åbning af dør til nyt AIDS -lægemiddeldesign. "19. september, 2011. (4. oktober, 2011) http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=121680&WT.mc_id=USNSF_51&WT.mc_ev=click
• Niemeyer, Kyle. "Spillere opdager proteinstruktur, der kan hjælpe i krig mod hiv." 22. september kl. 2011. (4. oktober, 2011) http://arstechnica.com/science/news/2011/09/gamers-discover-protein-structure-relevant-to-hiv-drugs.ars
• Spotts, Pete. "Crowdsourcing Science:Hvordan spillere ændrer videnskabelig opdagelse." 5. oktober kl. 2011. (6. oktober, 2011) http://www.csmonitor.com/Science/2011/1005/Crowdsourcing-science-how-gamers-are-changing-scientific-discovery