Este é um dos quebra-cabeças de proteínas que os jogadores podem enfrentar quando jogam Foldit. Clique aqui para ver uma visão ampliada desta imagem. Captura de tela cortesia do The Center for Game Science, Ciência e Engenharia da Computação, universidade de Washington Jogar videogame não é exatamente ciência do foguete, mas, graças ao Foldit, pode ser biologia molecular.
Tipo de.
Desenvolvido em 2008 por pesquisadores da Universidade de Washington, o jogo multiplayer online aumenta o talento da mente humana para o raciocínio espacial pela capacidade cerebral de dezenas de milhares de jogadores. Solo e em equipes, esses analistas amadores competem para decifrar os enigmas mais intrigantes que perturbam os biólogos moleculares hoje:como proteínas individuais e seus aminoácidos componentes se dobram.
A resposta vale mais do que se gabar ou desbloquear conquistas (os jogos falam para quando um jogador conclui uma tarefa particularmente incrível); ele fornece os meios para entregar medicamentos que podem um dia impedir doenças como o vírus da imunodeficiência humana (HIV).
Não é de se admirar que tanto burburinho tenha surgido quando uma publicação de 2011 na revista Nature Structural &Molecular Biology informou que os jogadores de Foldit haviam desvendado uma proteína-chave em Vírus do macaco Mason-Pfizer ( MPMV ), a versão simiesca do HIV, que frustrou os pesquisadores por mais de uma década.
Como John Henry contra o martelo a vapor ou Garry Kasparov contra Deep Blue, Os jogadores de Foldit mostraram que os humanos ainda têm uma ou duas coisas para ensinar às máquinas; ao contrário de Henry, quem morreu, ou Kasparov, que perdeu em uma revanche, os jogadores que dobram proteínas ainda têm uma vantagem sobre a força bruta de esmagamento de números dos supercomputadores.
Para entender o alcance desta conquista e o que isso pode significar para o futuro do HIV, vamos ver por que entender como uma proteína se dobra é tão importante.
Aqui está um rápido, análise visual mostrando como as proteínas se encaixam em nossa composição genética. Imagem cortesia do Departamento de Programas de Genoma de Energia dos EUA As proteínas são responsáveis por inúmeras funções no corpo, tudo, desde a conversão de alimentos em energia até a transmissão de mensagens químicas. O origami peculiar de cada proteína determina tanto seu papel quanto sua capacidade de se ligar a outras moléculas. É como se uma proteína fosse uma cadeia composta de mil bloqueios, todos amontoados em uma bola:se você quisesse criar uma droga para afetá-lo, você precisaria saber quais fechaduras foram viradas para fora, e em que padrão, para que você possa cortar um conjunto de chaves para caber nelas.
Proteínas específicas desempenham papéis essenciais em cadeias-chave de eventos. Os pesquisadores valorizam essas proteínas porque representam uma vulnerabilidade que podem explorar para retardar ou interromper uma doença, Incluindo retrovírus como HIV e MPMV. UMA retrovírus é um vírus que carrega sua informação genética como ácido ribonucléico (RNA) em vez de DNA. Esses vírus transcrevem seu RNA em DNA, em vez de vice-versa, incorporando permanentemente seu código genético ao genoma da célula infectada e transformando-o em uma fábrica para a produção de mais retrovírus.
Os retrovírus dependem de um catalisador de proteína chamado enzima protease como parte de seu processo reprodutivo. A inibição dessa proteína joga uma chave inglesa na maquinaria de destruição de um retrovírus. De fato, esses inibidores de protease já são usados para tratar a infecção por HIV em pacientes com AIDS [fonte:Britannica].
Infelizmente, descobrir a estrutura dessas proteínas é um dos quebra-cabeças mais difíceis que conhecemos. Imagine encher uma caixa gigante com luzes emaranhadas de árvores de Natal, brinquedos Slinky em desuso, arame farpado, fita adesiva e eletroímãs, em seguida, sacudindo e virando ao redor, e finalmente tentando adivinhar que forma você fez. Você apenas começou a arranhar a superfície da complexidade desta tarefa. As proteínas podem consistir em mais de 10, 000 átomos cada, formando cadeias, sub-cadeias e ligações em inúmeras combinações; na verdade, há mais maneiras de dobrar uma proteína do que átomos no universo [fonte:Bohannon].
Essa complexidade é mais do que até mesmo um supercomputador às vezes pode lidar, particularmente porque os computadores não são especialmente bons para trabalhar com formas tridimensionais. Então, os cientistas começaram a procurar um meio mais rápido e eficaz de quebrar estruturas de proteínas. Sua solução? Use as habilidades inatas de análise espacial do cérebro humano. Foldit nasceu. Quase imediatamente, começou a pagar dividendos.
Na próxima seção, vamos dar uma olhada em como o Foldit funciona, o que os jogadores conseguiram com ele e se eles curaram ou não o HIV.
Uma parte essencial do artesanato do relojoeiro consiste em reunir uma coleção de peças delicadas dentro de um espaço tão compacto quanto possível, enquanto garante que os espaços apertados não interfiram com o funcionamento do relógio.
No Foldit, os jogadores usam uma caixa simples de ferramentas para manipular a forma de uma proteína. A ideia é dobrar, torção, mova e sacuda as cadeias laterais da proteína e os esqueletos de aminoácidos de forma que toda a estrutura seja embalada em sua forma ideal. Os jogadores sabem que sua solução funciona quando se livram das colisões entre cadeias laterais de átomos, esconder as cadeias hidrofóbicas dentro da proteína, enfrente as cadeias hidrofílicas para fora e remova grandes espaços vazios que ameaçam a estabilidade da proteína - tudo refletido em sua pontuação.
A pontuação, junto com as regras que regem os movimentos permitidos, deriva das leis da física que regem o enovelamento de proteínas. A termodinâmica nos diz que os sistemas naturais tendem a estados de energia mais baixa. Outras leis físicas, como a atração mútua de cargas opostas, repulsão de cargas semelhantes e limitações sobre como as ligações atômicas podem ser organizadas e giradas, também estão integrados.
O programa Foldit abstrai os detalhes em uma forma que o olho pode perceber e o cérebro pode apreender. A física é tratada nos bastidores, liberando os jogadores para manipular as formas por meio de uma análise meticulosa, instinto ou qualquer método que lhes convenha.
Dentro de um ano de sua introdução, Os jogadores da Foldit produziram soluções de dobramento de proteínas que ofuscaram aquelas apresentadas por biólogos moleculares. Inspirado pelos primeiros sucessos, Os criadores do Foldit aplicaram o programa a outras proteínas e encarregaram os jogadores de criar novas proteínas para combater o câncer, AIDS e doença de Alzheimer. Por exemplo, a proteína supressora de tumor p53 é danificada em muitos pacientes com câncer. Se reparado ou substituído, tal proteína pode parar o crescimento do tumor.
Descobrir com sucesso a enzima protease MPMV é o ápice da carreira de Foldit até agora. Antes de eles chegarem lá, os jogadores passaram por dezenas de milhares de protótipos cada vez melhores até que, menos de três semanas depois de terem começado, eles resolveram esse quebra-cabeça específico das proteínas [fonte:Niemeyer]. Não era uma cura para o HIV, mas, graças a uma semelhança de família retroviral, O catalisador de proteína do MPMV ajudará os pesquisadores a construir melhores drogas anti-retrovirais para combater o HIV.
O Foldit tem suas limitações, nem é uma Pedra de Roseta para todas as proteínas. No entanto, permitiu que uma multidão de jogadores previsse a estrutura de uma proteína que desafiava todas as abordagens tradicionais, e isso por si só justifica seu valor como ferramenta de análise molecular.
Crowdsourcing e computação distribuídaCada vez mais, os cientistas estão aproveitando as colaborações em massa para gerar ideias de maneira barata e trazer uma ampla variedade de perspectivas para as questões de pesquisa. Foldit é uma forma assistida por computador de tal crowdsourcing , mas as multidões também podem ajudar os computadores. Por exemplo, no computação distribuída , as pessoas oferecem voluntariamente o tempo ocioso de seu computador para ser usado na solução de um problema. Individualmente, esses ciclos de processamento não contam muito, mas combinado, eles se somam a um supercomputador virtual. Ficou famoso pela busca pelo programa SETI @ home da inteligência extraterrestre, a computação distribuída também ajuda a modelar estruturas de proteínas. Rosetta @ home, também desenvolvido na Universidade de Washington, foi instalado em centenas de milhares de máquinas host, fornecendo uma alternativa valiosa para técnicas de análise de proteína mais tradicionais, tal como Cristalografia de raio-x e espectroscopia de ressonância magnética nuclear ( NMR )
