Foldit: геймеры разрабатывают новые белки
"Играя в Foldit, игроки со всего мира могут помочь учёным, изучающим белки, создавать новые вакцины, методы лечения рака и многое другое"
Компьютерная игра Foldit
Команда учёных закодировала свои специальные знания в компьютерную игру Foldit, чтобы впервые дать возможность игрокам со всего мира успешно разработать синтетические белки.
Первые результаты этого сотрудничества появились в выпуске журнала Nature от 5 июня, возглавляемые Институтом дизайна белков при Медицинской школе Вашингтонского университета.
«Во вселенной больше возможных белков, чем атомов. Интересно думать, что теперь любой энтузиаст может помочь исследовать это огромное пространство возможностей», – сказал старший соавтор Дэвид Бейкер, профессор биохимии в Медицинской школе UW и директор Института дизайна белка.
«Разнообразие молекул, которые придумали геймеры, поражает воображение», – говорит ведущий автор Брайан Коэпник, учёный из Института дизайна белка. «Эти новые белки ни в коем случае не уступают тому, что мог бы сделать ученый уровня доктор наук».
«Геймификация» исследований белка
Foldit был создан в 2008 году как способ «геймификации» исследований белка. Белки являются важными биомолекулами, содержащимися в каждой клетке каждого организма. Их сложные трехмерные структуры приводят к их разнообразным функциям, которые включают пищеварение, заживление ран, аутоиммунитет и многое другое.
Благодаря игровому процессу игроки Foldit помогли определить структуру белка, связанного с ВИЧ, и улучшили активность полезных ферментов. Однако до сих пор игроки Foldit могли взаимодействовать только с белками, которые уже существовали. Не было никакого способа проектировать новые белки.
Платформа для разработки новых белков
«Разработка совершенно новых белков, которых не было в природе, была нашей целью в течение долгого времени с Foldit», – сказал старший соавтор Сет Купер, доцент колледжа компьютерных наук Хури в Северо-Восточном университете. «Новые результаты показывают, что это возможно».
Чтобы превратить Foldit в платформу для разработки белка, исследователи закодировали биохимические знания в игре. Таким образом, дизайнерские молекулы, которые набирали хорошие баллы в Foldit, с большой вероятностью будут складываться, как и предполагалось, в реальном мире.
«Мы не давали [игрокам Foldit] никаких лекций и не говорили им что-либо читать. Вместо этого мы доработали код, который запускал игру на протяжении многих лет», – сказал старший соавтор Фирас Хатиб, доцент кафедры информатики в Массачусетский университет, Дартмут.
В лаборатории ученые протестировали 146 белков, разработанных игроками Foldit. 56 были признаны стабильными. Это открытие показало, что геймеры создали некоторые реалистичные белки. Исследователи собрали достаточно данных о четырех из этих новых молекул, чтобы показать, что проекты приняли их предполагаемые структуры.
Белковый дизайн
Создание новых протеинов похоже на попытку связать никогда ранее не виданные узлы веревкой, которая в миллион раз тоньше человеческого волоса. На сегодняшний день лишь небольшая группа экспертов, обладающих глубокими знаниями о том, как биомолекулы крутятся и переворачиваются, занялась этой чрезвычайно сложной задачей. Большинство используют автоматизированные алгоритмы молекулярного дизайна, и большинство алгоритмов проектирования терпят неудачу гораздо чаще, чем преуспевают.
«Мы всегда стараемся сделать алгоритмы лучше, но человеческий фактор является ключевым», – сказал Хатиб. «Фактически, благодаря дизайну Foldit, игроки даже обнаружили недостатки в энергетической функции Rosetta – нашем современном методе для проектирования белка».
Белковый дизайн является новой научной дисциплиной. За последние пять лет эксперты Института дизайна белка и их коллеги создали белки, которые стимулируют иммунную систему для борьбы с раком, и другие, которые выступают в качестве потенциальных кандидатов на вакцины. В апреле Институт дизайна белка получил финансирование в размере 45 миллионов долларов США в рамках проекта Audacious Project, благотворительного фонда, организованного TED, для разработки вакцин, лекарств и материалов на основе белка.
Любой, кто заинтересован в решении головоломок для науки, может узнать больше
Источник:
Brian Koepnick, Jeff Flatten, Tamir Husain, Alex Ford, Daniel-Adriano Silva, Matthew J. Bick, Aaron Bauer, Gaohua Liu, Yojiro Ishida, Alexander Boykov, Roger D. Estep, Susan Kleinfelter, Toke Nørgård-Solano, Linda Wei, Foldit Players, Gaetano T. Montelione, Frank DiMaio, Zoran Popović, Firas Khatib, Seth Cooper, David Baker.
De novo protein design by citizen scientists.
Nature, 2019; DOI: 10.1038/s41586-019-1274-4
