В игре Foldit конструируются новые белки
Foldit — один из проектов гражданской науки, то есть научных исследований с привлечением волонтёров, интересующихся наукой, но не имеющих научной степени. Игра с головоломками-заданиями была создана в 2008 году для поиска наилучшего способа сворачивания полипептидной цепи (фолдинга) выбранного белка. Вначале игроки исследовали уже существующие белки, но с 2012-го гражданские учёные могут создавать и синтетические белки. Первые результаты конструирования новых белков, полученные с помощью игроков, опубликованы в Nature.
«Возможных белков больше, чем атомов во Вселенной. Удивительна сама мысль, что любой может помочь исследовать это огромное пространство возможностей», — говорит один из соавторов игры, Дейвид Бейкер (David Baker), профессор биохимии в Школе медицины Вашингтонского университета (University of Washington).
«Разнообразие молекул, придуманных геймерами, поражает. Созданные игроками белки не уступают тем, которые могут сделать учёные со степенью», — говорит Брайан Кёпник (Brian Koepnick), научный сотрудник Института конструирования белков (Institute for Protein Design) Вашингтонского университета.
Ранее, в 2011 году, благодаря игровому процессу игроки Foldit помогли определить структуру белка, связанного с ВИЧ, а также улучшили активность полезных ферментов. Однако тогда игроки могли взаимодействовать только с уже существующими белками, а возможности создавать синтетические не было.
Теперь игрокам была представлена удлинённая пептидная цепочка и поставлена задача создать сложенную структуру белка и последовательность аминокислот, кодирующих эту структуру. После множества попыток конструирования, анализа лучших зачтённых решений и последующего улучшения игры, игроки Foldit могут начать генерировать различные белковые структуры и последовательности в компьютерной симуляции.
«Создание в Foldit совершенно новых белков, не существовавших в природе, давно было нашей целью, — говорит Сет Купер (Seth Cooper), доцент Колледжа компьютерных наук Хури (Khoury College of Computer Sciences) в Северо-Восточном университете (Northeastern University). — Полученный набор данных показывает, что это возможно».
Чтобы превратить Foldit в платформу для проектирования белков, исследователи закодировали биохимические знания в игру. Таким образом, сконструированные молекулы, высоко оценённые в Foldit, с большой вероятностью свернутся так, как ожидается, и в реальном мире.
«Мы не читали лекций и не просили ничего читать. Вместо этого мы незначительно изменили код, управляющий игрой много лет», — говорит Фирас Хатиб (Firas Khatib) из Массачусетского университета в Дартмуте (University of Massachusetts Dartmouth).
Учёные протестировали в лаборатории 146 белков, разработанных игроками Foldit. 56 из них были признаны стабильными. Это говорит о том, что геймеры разрабатывали реалистичные белки. Исследователи собрали достаточно данных по четырём из этих созданных молекул, чтобы показать, что уже в проектах были учтены их предполагаемые структуры.
«Я бы никогда не поверил, что от игры будет такой хороший эффект, но игроки Foldit не перестают нас удивлять», — сказал Хатиб.
Конструирование белков похоже на попытку связать неизвестные ранее виды узлов из верёвки в миллион раз тоньше человеческого волоса. На сегодняшний день лишь небольшая группа экспертов, осведомлённых о том, как сворачиваются биомолекулы, заняты этой чрезвычайно сложной задачей. Большинство использует алгоритмы автоматизированного молекулярного проектирования, большинство из этих алгоритмов выходят из строя чаще, чем удаётся успешно что-то создать.
«Мы всегда стараемся сделать алгоритмы лучше, но человеческий фактор — ключевой момент, — говорит Хатиб. — На самом деле, благодаря технологии Foldit игроки смогли обнаружить недостатки в проекте по вычислению третичной структуры белков из их аминокислотных последовательностей Rosetta@Home.
Конструирование белков — молодая научная дисциплина. За последние пять лет специалисты Института белкового дизайна (Institute for Protein Design) и их коллеги создали белки, стимулирующие иммунную систему для борьбы с раком.
«Игроки Foldit — дополнение к нашему исследовательскому арсеналу, — говорит Хатиб. — Они, конечно, не волшебная таблетка, но всё равно подобный ресурс удивителен».
О Foldit и других играх, помогающих науке, мы писали ранее в материале «Игры ради науки».