Eiwitten zijn verantwoordelijk voor tal van functies in het lichaam, alles van het omzetten van voedsel in energie tot het afleveren van chemische boodschappen. De eigenaardige origami van elk eiwit bepaalt zowel zijn rol als zijn vermogen om zich aan te sluiten bij andere moleculen. Het is alsof een eiwit een ketting is die bestaat uit duizend sloten, allemaal in een bal gebundeld:als je een medicijn wilde ontwerpen om het te beïnvloeden, je zou moeten weten welke sloten naar buiten zijn gedraaid, en in welk patroon, zodat je een set sleutels zou kunnen knippen om ze te passen.

Bepaalde eiwitten spelen een cruciale rol in de belangrijkste ketens van gebeurtenissen. Onderzoekers waarderen deze eiwitten omdat ze een kwetsbaarheid vertegenwoordigen die ze kunnen uitbuiten om een ​​ziekte te vertragen of te stoppen, inclusief retrovirussen zoals HIV en MPMV. EEN retrovirus is een virus dat zijn genetische informatie als ribonucleïnezuur (RNA) in plaats van DNA draagt. Deze virussen zetten hun RNA om in DNA, in plaats van omgekeerd, permanent hun genetische code verstrikt in het genoom van de geïnfecteerde cel en het transformeert in een fabriek voor het maken van meer retrovirus.

Retrovirussen vertrouwen op een eiwitkatalysator genaamd protease enzym als onderdeel van hun voortplantingsproces. Het remmen van dat eiwit gooit een aapsleutel in de vernietigingsmachine van een retrovirus. Inderdaad, dergelijke proteaseremmers worden al gebruikt om HIV-infectie bij AIDS-patiënten te behandelen [bron:Britannica].

Helaas, het uitpluizen van de structuur van dergelijke eiwitten is een van de moeilijkste puzzels die we kennen. Stel je voor dat je een gigantische doos vult met verwarde kerstboomverlichting, niet meer gebruikt Slinky-speelgoed, prikkeldraad, buisband en elektromagneten, dan schudden en omdraaien, en uiteindelijk proberen te raden welke vorm je had gemaakt. Je bent nog maar net begonnen aan de oppervlakte van de complexiteit van deze taak. Eiwitten kunnen uit meer dan 10, 000 atomen per stuk, kettingen vormen, subketens en bindingen in talloze combinaties; in feite, er zijn meer manieren om een ​​eiwit te vouwen dan er atomen in het universum zijn [bron:Bohannon].

Een dergelijke complexiteit is meer dan zelfs een supercomputer soms aankan, vooral omdat computers niet bijzonder goed zijn in het werken met driedimensionale vormen. Dus, wetenschappers gingen op zoek naar een snellere en effectievere manier om eiwitstructuren te kraken. Hun oplossing? Gebruik de aangeboren ruimtelijke analysecapaciteiten van het menselijk brein. Foldit was geboren. Bijna onmiddelijk, het begon dividenden uit te keren.

In dit volgende gedeelte, we zullen nader bekijken hoe Foldit werkt, wat gamers ermee hebben bereikt en of ze hiv hebben genezen of niet.

Moleculair uurwerk

Een essentieel onderdeel van het ambacht van de horlogemaker bestaat uit het samenstellen van een verzameling delicate onderdelen in een zo compact mogelijke ruimte, terwijl ervoor wordt gezorgd dat de krappe ruimtes de functie van het uurwerk niet belemmeren.

In Foldit, spelers gebruiken een eenvoudige doos met gereedschap om de vorm van een eiwit te manipuleren. Het idee is om te buigen, twist, beweeg en schud de zijketens en aminozuurruggengraat van het eiwit zodat de hele structuur in zijn optimale vorm wordt verpakt. Spelers weten dat hun oplossing werkt als ze zich ontdoen van botsingen tussen zijketens van atomen, verberg de hydrofobe ketens in het eiwit, kijk naar de hydrofiele ketens naar buiten en verwijder grote lege ruimtes die de stabiliteit van het eiwit bedreigen - dit alles wordt weerspiegeld in hun score.

De score, samen met regels voor toegestane bewegingen, afgeleid van de wetten van de fysica die het vouwen van eiwitten beheersen. Thermodynamica vertelt ons dat natuurlijke systemen neigen naar staten van lagere energie. Andere natuurkundige wetten, zoals de wederzijdse aantrekking van tegengestelde ladingen, afstoting van soortgelijke ladingen en beperkingen met betrekking tot hoe atomaire bindingen kunnen worden gerangschikt en geroteerd, zijn ook ingebouwd.

Het Foldit-programma abstraheert de details in een vorm die het oog kan waarnemen en de hersenen kunnen begrijpen. Achter de schermen wordt met natuurkunde gewerkt, spelers vrijmaken om de vormen te manipuleren via nauwgezette analyse, onderbuikgevoel of welke methode dan ook bij hen past.

Binnen een jaar na de introductie, Foldit-spelers produceerden oplossingen voor het vouwen van eiwitten die beter waren dan die van moleculair biologen. Geïnspireerd door vroege successen, De makers van Foldit pasten het programma toe op andere eiwitten en gaven spelers de opdracht om nieuwe eiwitten te ontwerpen om kanker te bestrijden, AIDS en de ziekte van Alzheimer. Bijvoorbeeld, het p53-tumorsuppressor-eiwit is bij veel kankerpatiënten beschadigd. Indien gerepareerd of vervangen, zo'n eiwit zou de tumorgroei kunnen stoppen.

Het met succes uitpuzzelen van het protease-enzym MPMV is het sluitstuk van Foldit's carrière tot nu toe. Maar voordat ze daar aankwamen, spelers karnden door tienduizenden steeds betere prototypes totdat, minder dan drie weken nadat ze begonnen, ze hadden deze specifieke eiwitpuzzel opgelost [bron:Niemeyer]. Het was geen remedie voor hiv, maar, dankzij een retrovirale familiegelijkenis, De eiwitkatalysator van MPMV zal onderzoekers helpen betere antiretrovirale geneesmiddelen te bouwen om hiv te bestrijden.

Foldit is niet zonder beperkingen, het is ook geen Rosetta Stone voor alle eiwitten. Hoe dan ook, het stelde een menigte spelers in staat om de structuur van een eiwit te voorspellen dat alle traditionele benaderingen had getrotseerd, en dat alleen al rechtvaardigt zijn waarde als hulpmiddel voor moleculaire analyse.

Meer en meer, wetenschappers profiteren van massale samenwerkingen om goedkoop ideeën te genereren en een breed scala aan perspectieven op onderzoeksvragen in te brengen. Foldit is een computerondersteunde vorm hiervan crowdsourcing , maar menigten kunnen ook computers helpen. Bijvoorbeeld, in gedistribueerd computergebruik , mensen bieden de inactieve tijd van hun computer aan om een ​​probleem op te lossen. individueel, deze verwerkingscycli tellen niet veel, maar gecombineerd, ze vormen samen een virtuele supercomputer. Beroemd geworden door de zoektocht naar het SETI@home-programma van buitenaardse intelligentie, gedistribueerd computergebruik helpt ook bij het modelleren van eiwitstructuren. Rosetta@home, ook ontwikkeld aan de Universiteit van Washington, is geïnstalleerd op honderdduizenden hostmachines, een waardevol alternatief bieden voor meer traditionele eiwitanalysetechnieken, zoals X-ray kristallografie en nucleaire magnetische resonantie spectroscopie ( NMR ).

Veel meer informatie

gerelateerde artikelen

• Hoe kan een PlayStation 3 zijn rekenkracht doneren aan medisch onderzoek?
• Wie moet zich laten testen op hiv?
• Hoe werkt SETI@home?
• Hoe rastercomputing werkt
• Hoe virussen werken

Meer geweldige links

• Vouw het
• Rosetta@home
• Retrovirus omgekeerde transcriptie (video)

bronnen

• Bohannon, John. "Gamers ontrafelen het geheime leven van eiwitten." 20 april 2009. (3 okt. 2011) http://www.wired.com/medtech/genetics/magazine/17-05/ff_protein?currentPage=all
• Wegroepen, Ewen. "De vorm van toekomstige eiwitstructuren." Natuur 449, 765 (2007). (3 okt. 2011) http://www.nature.com/news/2007/071016/full/449765a.html
• Encyclopedie Britannica. "Proteaseremmer." Encyclopedie Britannica Online. (5 okt. 2011) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/479619/protease-inhibitor
• Khatib, Firas, et al. "Kristalstructuur van een monomeer retroviraal protease opgelost door spelers van eiwitvouwspellen." 18 september 2011. (3 okt. 2011) http://www.cs.washington.edu/homes/zoran/NSMBfoldit-2011.pdf
• Nationale Wetenschaps Instituut. "On-line gamers slagen waar wetenschappers falen, De deur openen naar nieuw aids-medicijnontwerp." 19 sept. 2011. (4 okt. 2011) http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=121680&WT.mc_id=USNSF_51&WT.mc_ev=click
• Niemeyer, Kyle. "Gamers ontdekken eiwitstructuur die zou kunnen helpen in de strijd tegen hiv." 22 september 2011. (4 okt. 2011) http://arstechnica.com/science/news/2011/09/gamers-discover-protein-structure-relevant-to-hiv-drugs.ars
• vlekken, Piet. "Crowdsourcing Science:hoe gamers wetenschappelijke ontdekkingen veranderen." 5 oktober 2011. (6 okt. 2011) http://www.csmonitor.com/Science/2011/1005/Crowdsourcing-science-how-gamers-are-changing-scientific-discovery