Je leest:

Eiwitten vouwen: the game

Eiwitten vouwen: the game

Auteur:

Eén van de moeilijkste taken in de biologie is uitvogelen hoe een lange eiwitstreng zichzelf in 3D opvouwt. Supercomputers doen hier jaren over, maar drie Amerikaanse wetenschappers denken dat gamers het beter kunnen. Ze ontwikkelden Foldit, het online eiwit-opvouwspel waarmee iedere puzzelaar zijn steentje bij kan dragen aan de wetenschap.

Live zien? Kom dan op vrijdag 23 september 2011 naar Discovery Festival, een nachtelijk evenement dat wetenschap combineert met kunst en muziek. Zie de website van Discovery Festival voor meer informatie over het programma.

Juist deze week werd het eerste belangrijke met Foldit verkregen onderzoeksresultaat gepubliceerd in de wetenschappelijke literatuur. Meer daarover in een update verderop in dit artikel.

Foldit schotelt je een eiwit voor waarvan niemand precies weet hoe het er in 3D uitziet. Je moet een lange streng aminozuren – de bouwstenen waaruit een eiwit bestaat – in een zo optimaal mogelijke vorm proberen vouwen voor een maximale score. Het onderstaande (Engelstalige) filmpje laat zien waar we het over hebben.

Net als in de natuur moet je hierbij rekening houden met dingen als elektrisch geladen zijgroepen en hydrofiele of hydrofobe delen. Aan de meeste aminozuren hangen namelijk zijgroepen, voor te stellen als moleculaire ‘armpjes’. Probeer je bijvoorbeeld twee negatief geladen armpjes tegen elkaar aan te drukken, dan springen ze in het spel weer van elkaar weg. Ook kan je hydrofobe (waterafstotende) zijgroepen niet aan de buitenkant van het eiwit laten bungelen. Daar is het waterig, en proberen de hydrofobe delen naar de afgeschermde binnenkant van het eiwit te vluchten.

Weet je dit allemaal uit te vogelen, dan vouw je het eiwit in een vorm waarvan jij denkt dat die het beste werkt. Met één muisklik rekent de computer vervolgens uit hoe goed jouw vormpje is. Scoor je hoger dan alle andere spelers, dan heb je zojuist de medische wetenschap weer een stap verder geholpen.

Medium
Een screenshot van Foldit. De kleur van het eiwit is afhankelijk van je score. Rode spijkerballen verschijnen waar stukken eiwit te dicht tegen elkaar aan zitten. Onderaan zitten de beschikbare tools voor speler. Klik op de afbeelding voor een vergroting.
Foldit team, Universiteit van Washington

Mens-tegen-computer wedstrijd

Gamers die wetenschappers helpen – dat was een paar jaar geleden het idee achter de ontwikkeling van Foldit. 3D-structuren met de computer uitrekenen kost namelijk enorm veel computerkracht. Zoveel, dat alle computers op aarde er tezamen jaren over zouden doen.

Onderzoekers deden al eerder een poging om zo’n wereldwijd computernetwerk bijeen te krijgen. In 2004 ontwikkelde David Baker, de bedenker van Foldit, al het programma [email protected], waar iedereen zijn thuiscomputer op kan aansluiten. De computer levert dan ongebruikte processorkracht om mee te rekenen aan de optimale 3D-structuur voor een eiwit. Maar volgens Baker waren zelfs 200.000 computers niet genoeg.

“Er zijn gewoon teveel mogelijkheden”, zegt Baker. “Iets als [email protected] werkt goed voor kleine eiwitten, maar voor grotere eiwitten wordt de berekening al gauw te moeilijk, en geven de computers het op. Mensen daarentegen kunnen met hun intuïtie veel sneller op het juiste antwoord komen.”

De intuïtie waar Baker over praat is ruimtelijk inzicht. Waar de computer tijd verspilt aan het uitproberen van hele domme 3D-structuren, zien mensen veel sneller wat werkt en wat niet.

Medium
Eiwitten zijn enorm complexe moleculen – en dan is dit nog maar de vereenvoudigde weergave waarin substructuren schematisch zijn weergegeven.

Samen met informatici Zoran Popovic en Seth Cooper van de Universiteit van Washington ontwikkelde Baker daarom in 2008 Foldit. Inmiddels zijn er al honderdduizenden spelers mee aan de slag gegaan, en het bijzondere is: de meeste zijn niet eens bioloog. Sterker nog, de top vijf spelers hebben niet meer dan een middelbare schoolopleiding biologie. Het gaat ook niet om biologische kennis, maar om het visualiseren van een optimale structuur. “Het is een beetje als 3D-Tetris”, zegt Baker.

En dat werkt. In een mens-tegen-computer wedstrijd moest de Foldit gemeenschap het opnemen tegen Rosetta, het computerprogramma dat hetzelfde werk doet. De deelnemers moesten de structuren van tien eiwitten uitzoeken. De resultaten spraken voor zich: de menselijke spelers ontdekten vijf structuren die simpelweg beter waren dan die van Rosetta, en nog eens drie structuren die even goed waren. Baker is dan ook zwaar onder de indruk van het niveau van de Foldit-spelers.

Update: Succes in Aids-onderzoek

23 september 2011 – Afgelopen zondag publiceerde Nature Structural and Molecular Biology het eerste duidelijke succes van Foldit. Gamers wisten binnen enkele weken de structuur te bepalen van een belangrijk retroviraal protease waarin aids-wetenschappers erg geïnteresseerd zijn. Zulke proteases spelen een belangrijke rol bij de verspreiding van virussen. Kennis van de structuur zou tot medicijnen kunnen leiden die de verspreiding van HIV stoppen of verminderen. Wetenschappers waren er in jaren onderzoek niet in geslaagd de ruimtelijke structuur van het protease te vinden. De Foldit gamers deden het in tien dagen, vertelde onderzoeker Firas Khatib aan de wetenschapsredacteur van msnbc.com. Khatib is hoofdauteur van het wetenschappelijke artikel. Hoewel Khatib slechts van “een klein stukje van de puzzel” wilde spreken voor wat betreft het aidsonderzoek, is het een geweldige doorbraak bij het inzetten van Foldit. Inmiddels heeft de game meer dan 236.000 geregistreerde gebruikers.

Geweldige dag voor de wetenschap

De volgende stap is nog ambitieuzer: Baker wil de Foldit-spelers zelf eiwitten laten bouwen. Farmaceuten en biotechnologen hebben genoeg 3D-bouwplannen voor eiwitten voor medicijnen of milieuvriendelijke brandstoffen. Het probleem is alleen: ze weten niet hoe ze die precies moeten bouwen.

Volgens Baker zouden Foldit-spelers hier uitermate goed in moeten zijn. Hij ziet dan ook een grote toekomst weggelegd voor dit soort crowd-sourced onderzoek. “De dag dat we een eiwitontwerp van Foldit-spelers in het lab testen en merken dat het doet wat we willen, zal een geweldige dag zijn voor de wetenschap.”

Bron:

  • Cooper et al., 2010. Predicting protein structures with a multiplayer online game, Nature 466: 756-760.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 06 augustus 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE