«Фолдит», скриншот игры

«Фолдит», скриншот игры. Стрелочками показаны:
Свойства белковой цепи: 1 — слишком близко расположенные атомы; 2 — водородная связь; 3 — гидрофобный аминокислотный остаток; поскольку он не защищен (то есть не спрятан внутрь молекулы белка), на нём «висит» желтая капелька; 4 — гидрофильный аминокислотный остаток; 5 — сегмент белкового «хребта» (то есть основной цепи), имеющий повышенную энергию и поэтому выделенный красным.
Рабочие инструменты игрока: 6 — «резинки», с помощью которых игроки могут управлять автоматическими инструментами; 7 — «замораживание» белкового «хребта», сохраняющее данный участок неизменным при изменениях других областей белка.
Интерфейс игры: 8 — панель, на которой показан текущий статус игрока, включая количество заработанных очков; 9 — список лучших игроков-одиночек и лучших команд; 10 — панель дополнительных инструментов и опций; 11 — чат для общения с другими игроками; 12 — «кулинарная книга» для создания новых автоматических инструментов, или «рецептов», по работе с белком.

Недавно группа американских исследователей создала полезную онлайн-игру под названием «Фолдит» (Foldit — «сложи это»). Играя в нее, вы можете помочь научному прогрессу, причем участвовать могут не только дипломированные специалисты, но и простые смертные. Вам предлагается решить одну из самых важных, обширных и нудных задач в биологии — определить правильную конформацию белка по его первичной последовательности. Но в игре от нудности не осталось и следа. На экране — разноцветная цепочка, которую надо сложить по определенным правилам. За верное решение начисляются очки, у каждого игрока есть собственный рейтинг. Можно объединяться в группы и решать задачи сообща — и при этом двигать биологию вперед.

Как известно, белок в своем первичном, «раскрученном», состоянии, — это просто линейная цепочка аминокислот. Каждая аминокислота в этой цепочке обладает определенными свойствами — она может быть гидрофильной или гидрофобной, положительно или отрицательно заряженной, и так далее.

В зависимости от этих своих свойств аминокислоты начинают взаимодействовать. Гидрофобные аминокислотные остатки слипаются друг с другом и прячутся внутрь белковой молекулы, где нет воды. Гидрофильные же остатки торчат наружу, ведь содержащаяся в цитоплазме вода им ни капельки не страшна. Противоположно заряженные аминокислоты притягиваются, а одинаково заряженные — отталкиваются. Там, где это возможно, между аминокислотами возникают дисульфидные мостики и водородные связи.

В результате всех этих взаимодействий белковая цепочка начинает изгибаться и сворачиваться, пока, наконец, не достигнет такой конформации, на которую «согласны» все содержащиеся в ней аминокислоты. В этом состоянии внутренняя энергия молекулы белка минимальна.

Казалось бы, нет ничего проще, чем высчитать, какую конформацию примет белок, исходя из его аминокислотной последовательности. Но не тут-то было! Одна-единственная возможная конформация существует только для совсем коротеньких и простых белков. Чем белок длиннее, тем больше различных конформаций он может принять, но только одна из них будет верной. И в результате бедный ученый остается один на один с длиннющей аминокислотной последовательностью, которая может сложиться десятью разными способами.

Конечно, существует специальная программа под названием «Розетта», которая высчитывает правильную конформацию белка исходя из его аминокислотной последовательности (или, наоборот, подбирая оптимальную последовательность под структуру искусственно синтезируемого белка). Но — увы! — и «Розетта» совершает ошибки. Судя по всему, компьютер зачастую просто не может вычислить верную структуру белка, потому что для этого необходимы человеческое пространственное мышление и интуиция.

Большая группа американских ученых решила подойти к проблеме с другой стороны и превратить занудную и просто неохватную задачу (ведь белков — десятки и сотни тысяч) в интересную игру.

Пазл, в котором необходимо вначале «расплести» белковую цепочку, а потом сложить ее правильно. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Пазл, в котором необходимо вначале «расплести» белковую цепочку, а потом сложить ее правильно. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Условия игры просты: дается аминокислотная последовательность и игрок крутит и вертит ее до тех пор, пока она не приобретет оптимальную трехмерную структуру. Чтобы ввести в курс дела новичков, есть несколько тренировочных задачек-пазлов, решая которые, можно разобраться в основах игры. Чтобы подогреть активность участников, разработчики создали рейтинг лучших игроков (причем, как оказалось, некоторые из лучших игроков профессионально занимались биохимией). Кроме того, решать пазл можно не только в одиночку, но и целой командой.

Как оказалось, люди нередко справлялись с предложенным пазлом лучше, чем «Розетта» — особенно тогда, когда для достижения правильной конформации нужно было вначале слегка распутать белковую цепочку, в результате чего ее энергия повышалась. Программа в таких случаях заходила в тупик и выдавала неправильное решение, поскольку в нее было «забито», что повышение энергии — вещь нежелательная. Однако для людей это не было проблемой, поскольку они понимали, что после того, как они повернут цепочку желаемым образом, ее энергия снова понизится. К тому же, каждый человек применял свою уникальную тактику для решения задач, а программа всё время действовала однотипно.

Слепой тест показал, что из десяти предложенных пазлов люди справились с задачей лучше, чем «Розетта», в пяти случаях, в двух случаях победил компьютер, а три случая можно назвать ничьей. Разработчики полагают, что идеальным вариантом было бы комбинировать «Фолдит» и «Розетту», чтобы людям не пришлось возиться с первоначальной укладкой белковой цепи, которую может хорошо выполнить компьютер, а приниматься за дело только тогда, когда для дальнейшего складывания белка потребуется человеческий взгляд.

Источник: Seth Cooper, Firas Khatib, Adrien Treuille, Janos Barbero, Jeehyung Lee, Michael Beenen, Andrew Leaver-Fay, David Baker, Zoran Popović & Foldit players. Predicting protein structures with a multiplayer online game // Nature. 2010 V. 466. P. 756–760.

Сайт игры: fold.it/portal. Чтобы начать играть, надо зарегистрироваться и поставить на компьютере специальную программу. О том, как всё это сделать, написано здесь.

Вера Башмакова


22
Показать комментарии (22)
Свернуть комментарии (22)

  • a_b  | 02.09.2010 | 21:14 Ответить
    "Приятное с полезным". Красивая идея.
    Ответить
  • kbob  | 03.09.2010 | 06:58 Ответить
    Играл вчера из под Linux.

    Возникла интересная мысль. Насколько вычислительно-сложной является задача поиска оптимальной конфигурации белка. Какая это задача P или NP? Является ли задача приспособляемости живого организма к условиям окружающей среды P или NP? Является ли задача создания живого из неживого P или NP? Решает ли Природа все предидущие задачи методом перебора, если даже для них существуют P-алгоритмы решения?

    Хотя утверждается, 1 задача NP-полная
    http://www.eecs.berkeley.edu/~christos/hp.ps
    Ответить
    • ilya-flyamer > kbob | 05.09.2010 | 23:36 Ответить
      Хм, а Вы не подскажете, каким образом Вы запустили игру под Linux? А то я что-то не могу разобраться... Простой запуск Foldit не работает... Какой у Вас дистрибутив?
      Ответить
      • kbob > ilya-flyamer | 06.09.2010 | 13:07 Ответить
        kubuntu 8.04 и 10.04. Просто запускаю и работает. Возможно у вас отсутствуют библиотеки openGL.
        Ответить
      • Frank > ilya-flyamer | 07.09.2010 | 16:38 Ответить
        Установите libglut3 (sudo apt-get install libglut3).
        Ответить
        • ilya-flyamer > Frank | 07.09.2010 | 17:19 Ответить
          Ух ты, заработало! Спасибо большое!
          Ответить
  • kbob  | 03.09.2010 | 11:58 Ответить
    для тех кто захочет поиграть, инструкция
    http://www.inbi.ras.ru/ubkh/45/finkelshtein.pdf
    Ответить
  • MayDay  | 03.09.2010 | 13:11 Ответить
    Мне кажется в Rozette на хватает диалоговых режимов, а в Foldit автоматизации рутинных процедур.
    Ответить
    • kbob > MayDay | 03.09.2010 | 14:16 Ответить
      В Foldit есть автоматическое конфигурирование гидрофильных-гидрофобных групп, оптимизация водородных связей между фрагментами. Может еще чего есть, не разобрался пока.
      Ответить
  • denis_73  | 04.09.2010 | 04:07 Ответить
    Ещё с 2000 года существует проект распределённых вычислений Folding@home (Стэнфордский университет), который изучает сворачивание и агрегацию белков и работает сейчас на миллионах машин. Значок программы отображается в трее, программа работает с низким приоритетом, использует вычислительные ресурсы, когда они свободны. Есть возможность посмотреть как выглядит молекула в трёхмерном виде.
    Скачать можно здесь:
    http://folding.stanford.edu/Russian/Download
    Ответить
    • dema44 > denis_73 | 05.09.2010 | 01:36 Ответить
      спасибо за инфу, я про это много слышал но не находил
      Ответить
    • Rattus > denis_73 | 06.09.2010 | 13:27 Ответить
      Вообще-то это в ряде аспектов конкурирующий с Розеттой проект. По сравнению с которым у него есть ряд как преимуществ и недостатков, но оба этих проекта на равных считаются ведущей русскоязычной командой рапределенных вычислений TSC! Russia: http://tsc.overclockers.ru/about.html
      Вот подробный разбор особенностей каждого проекта:
      http://forums.overclockers.ru/viewtopic.php?p=6459815#p6459815
      http://forums.overclockers.ru/viewtopic.php?p=7364072#p7364072

      Кратко о технических моментах:
      R@H использует общий для множества других проектов клиент BOINC, отличающийся дружественностью интерфейса, понятностью и информативностью визуализации расчетов, но не задействует в расчетах графические процессоры (GPU), более требователен к объемам оперативной памяти и создает обильный траффик.
      F@H использует клиент собственной разработки, менее информативный и временами менее стабильный, но способен использовать вычислительные ресурсы в полной мере.

      Можно рассчитывать оба проекта одновременно, разделив ресурсы. Так, многие кранчеры полагают оптимальным отдать CPU Розетте, а GPU Фолдингу, поскольку по сравнению с мощностями современных графических ускорителей вклад CPU в расчеты Фолдинга невелик, а для Розетты это единственный ресурс.
      Ответить
  • dema44  | 04.09.2010 | 22:34 Ответить
    Крутая игра =)
    Ответить
  • Aab  | 05.09.2010 | 17:45 Ответить
    Игра отличная! Порекомендую ее своему знакомому квантовику-затейнику. Хотя, поди, уж знает :)

    ...Давным-давно на кафедре ОХТ в МГАТХТ (Москва) появился более-менее персональный компъютер. И даже - несколько таких. А потом был тетрис! Народ стал приезжать на работу с утра, а уезжать поздно. Одна дама мне рассказывала (я не разделял любви к тетрису):
    - Едишь в метро. Пока о чем-то конкретном думаешь, все нормально. Но стоит отвлечся на пустяки, как в голове тут же рисуется стакан и туда начинают сыпаться фигурки. Когда ловишь себя на этом, думаешь сразу: "А что делают руки?" Перед пассажирами метро неудобно сумасшедшей-то выглядеть..."
    Я:
    - Нормально. Дома, например, компьютера нет, а поиграть хочется.
    Она:
    - Так быстро доиграться можно!
    Я:
    - Ну да, игра в этом смысле "подвижная" для головы.

    ...А Foldit - не такая же зараза? :)
    Ответить
    • kbob > Aab | 06.09.2010 | 13:06 Ответить
      Попробовал простой белок оптимизировать руками - 54-й результат. А оказывается можно писать скрипты на языке программирования Lua и автоматизировать процесс сворачивания белка!
      Ответить
      • Aab > kbob | 07.09.2010 | 23:49 Ответить
        Добрый день!

        Наверное, особенно впечатляюще вся сцена с оптимизацией выглядела бы в 3D с возможностью руками: расплетать спирали и сплетать по новой; сближать выпуклости с вогнутостями, гидро-фильные/-фобные группы с гидро-фильными/-фобными группами, воспользоваться возможностью попутешествовать внутри белка или/и снаружи по отдельности там и там или вместе в сопоставлении; опять же таки в трехмерном пространстве панели управления могут быть удобно расставлены по пространству; дополнительные параллельные визуализации проще сопоставимы etc. (А если бы и другой софт устремился туда же, то мой знакомый мог бы попытаться выбить у начальства 3D монитор с перчатками :) и с работы уже не уходить; сам он разработал (и продолжает) софт для доккинга лигандов в белки (кванты, генетические алгоритмы и т.д.).)

        Я, так понимаю, это не коммерческий проект. Не знаю, могут ли быть препятствия и какого рода - возможно, могут - к частичной коммерциализациии затеи. Нужен ежегодный (на экспериментальный срок, скажем, 2 года) призовой фонд (допустим, $13000=$10000(I место)+$8000(II)+$5000(III)). Может быть, характеристическое время меньше, и премии за решения стоит выплачивать 2 раза в год. Фонд - за счет спонсора: есть же добрые умные люди богатые, говорят, в США. Это привлечет определенную аудиторию и создаст рекламу. Если возможно оценить как-то эмпирически ожидаемую сложность задачи, это тоже было бы важно учитывать при распределении премий.

        Таким образом народ бы получил соревнование с материальным вознаграждением, проект - почти бесплатных азартных работников, наука - данные. И, кто знает, если полно любителей складывать пасьянсы и гонять шарики в Mines, может среди этого не такого уж малого числа граждан, начнется небольшое легкое помешательство? Любой псих может сказать себе "я так вижу" и повернуть цепи так, что они лягут правильно. Но шансов у дипломированного - больше. Опять же таки Розетту посрамить...
        Ответить
    • Rattus > Aab | 06.09.2010 | 13:40 Ответить
      Для повальной заразности она все же достаточно "мудреная" и требует хотя бы наличия пространственного мышления, поэтому до современных талантливых "казуальных" зараз уровня Тетриса типа Crayon Physics, World of Goo, Darwinia, DefCon или, простигосподи, Zuma, ей довольно далеко.
      Ответить
      • Aab > Rattus | 07.09.2010 | 23:55 Ответить
        Понимаю, но возможно 3D и легкая коммерциализация (денежные или/и неденежные призы), плюс проработка интерфейса добавили бы ей популярности.
        Ответить
  • Rattus  | 06.09.2010 | 14:07 Ответить
    Тащемта самому сабжу "новости" уже чуть более, чем 2 года, да и здесь она вроде-бы уже в какой-то из прошлых статей упоминалась.
    Новость в том, что теперь они теперь со своим детищем и результатами его тестирования на хомячк... простых ползователях добрались до Нейчи.

    Но в любом случае: лишнее напоминание о том, что есть такой замечательный проектЪ, сов7 не повредит.
    Ответить
  • evatutin  | 12.09.2010 | 10:55 Ответить
    Маленькое замечание: Rosetta@Home — это проект распределенные вычислений, а не программа...
    Ответить
  • TheStranger  | 06.10.2010 | 00:08 Ответить
    а у меня не открывается программа после её загрузки, хотя там написано, что для виста программа тоже подходит
    ((
    Ответить
  • sergejhtp  | 07.01.2011 | 09:05 Ответить
    Слышал в америке рассчитывали вирус на молекулярном или атомном уровне. Они задавали точки с определенными координатами вокруг атома или молекулы и расчет вели по изменению напряженности поля которое меняется при движении атомов или както по другому? Читал что есть таблицы на основе экспериментов в электронвольтах по взаимодействию атомов и несложных молекул. Много информации нашел на химик.ru но не всю жалко.Игру попробую поставлю. Только можно наверное для лечения проектировать меньшие по размерам и самодвижущиеся из др атомов и лучше молекулы может даже собирая атом к атому. Может програмку соберут для школьников.Да чтоб молекулы мышкой крутить энергетические пороги энергия разрыва связи и мн.др.В"эв" или про эксперимент прочитаю вроде ясно что-то становится. Может среди школьников есть такие что на результатах одних экспериментов придумают много новых экспериментов. Не всем же быть теоретиками.
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»