Ученые создали компьютерную игру, с помощью которой даже далекие от науки люди могут заметно лучше даже самых мощных суперкомпьютеров решать сложные научные проблемы, касающиеся вычисления трехмерной структуры белков и дизайна новых биологических молекул, сообщается в статье исследователей.
Авторы публикации, группа ученых во главе с профессором Дэвидом Бэйкером (David Baker) из Вашингтонского университета создали компьютерную игру, задачей которой является так называемая упаковка линейной белковой молекулы в трехмерную структуру.
Вычисление трехмерной структуры белковых молекул - сложная научная проблема. Для ее решения существует два подхода. Один из них подразумевает трудоемкий процесс получения белка в кристаллическом состоянии, причем успеха в такой работе ученым приходится добиваться годами. После этого кристалл белка изучается с помощью дорогостоящего рентгеновского оборудования, с последующим математическим анализом, показывающим положение каждого атома молекулы в трехмерном пространстве.
Профессор Бэйкер, разработал иной подход - компьютерный алгоритм Rosetta, позволяющий вычислять трехмерную структуру белковых молекул на основании базовых физико-химических принципов взаимодействия составляющих их аминокислот. Именно эта аминокислотная последовательность, закодированная в ДНК, определяет даже самые сложные трехмерные структуры белков, их физические свойства и биологические функции.
Вычисление такой структуры даже на основании самых простых представлений о взаимодействии аминокислот между собой требует решения триллионов математических уравнений, а потому отнимает много времени даже при использовании суперкомпьютеров. Поэтому в 2004 году Бэйкер разработал приложение Rosetta@home, позволяющее использовать недозагруженные вычислительные мощности домашних компьютеров. Добровольцы, устанавливавшие себе на компьютер эту программу, могли вживую наблюдать за тем, как машина подстраивает структуру той или иной молекулы, минимизируя ее внутреннюю энергию.
В ходе этой работы у Бэйкера и родилась идея создания игры, так как многие пользователи Rosetta@home сообщали о своем желании "вручную" подстраивать структуры белков. Участники проекта отмечали очевидные ошибки алгоритма, когда тому приходилось достраивать трехмерную структуру уже частично упакованных молекул. В ходе этой процедуры программа безуспешно пыталась приладить торчащие концы молекулы к уже имеющейся глобуле или иной конфигурации, тогда как любому человеку, обладающему пространственным воображением, было очевидно, что данному фрагменту место внутри структуры.
Игра, получившая название FoldIt, стала доступна всем желающим весной 2008 года. Всего в ней было представлено 10 молекул с неизвестной на тот момент структурой. Чем лучше игрокам удавалось их упаковать, тем больше очков они получали. Согласно правилам, участники могли соревноваться между собой индивидуально или образовывать команды. Правильность упаковки оценивалась по принципу минимума внутренней энергии, иными словами наибольшее количество очков получал тот игрок, который упаковывал молекулу таким образом, что ее внутренняя энергия достигала минимально возможного значения. Участники игры обладали набором базовых правил, по которым можно было растягивать, гнуть, скручивать фрагменты молекул, или выполнять какие-либо другие манипуляции.
"Люди проявляют много творческой энергии, играя в компьютерные игры, которую можно было бы применить для решения научных проблем. Я очень рад, что мы сумели направить часть этой энергии в нужное нам русло", - прокомментировал работу Бэйкер, слова которого приводит пресс-служба Медицинского центра имени Говарда Хьюгса.
В ходе специального эксперимента участники игры, соревнуясь с программой Rosetta, сумели обыграть ее в пяти случаях из 10 и в трех других сумели не уступить. При этом мало кто из них был ученым, большинство базировались в своей игре на школьных представлениях о биологии. При этом Бэйкер, пообщавшись с 10 лучшими игроками-одиночками, был поражен сложности и новизне подходов к решению задачи, которые разработали участники игры.
Следующим шагом Бэйкер и его коллеги планируют направить творческую энергию игроков в FoldIt на решение важных научных задач - разработку новых, еще не существующих белковых молекул, которые могут оказаться полезными для получения биотоплива, лекарств и так далее. "Разработка новых белков нужной формы - это то, в чем игроки в FoldIt должны быть особенно сильны. Я думаю, что не за горами тот день, когда в лабораторных условиях мы будем тестировать белок, состав и структура которого были получены при игре в FoldIt", - подытожил ученый.
Вычисление трехмерной структуры белковых молекул - сложная научная проблема. Для ее решения существует два подхода. Один из них подразумевает трудоемкий процесс получения белка в кристаллическом состоянии, причем успеха в такой работе ученым приходится добиваться годами. После этого кристалл белка изучается с помощью дорогостоящего рентгеновского оборудования, с последующим математическим анализом, показывающим положение каждого атома молекулы в трехмерном пространстве.
Профессор Бэйкер, разработал иной подход - компьютерный алгоритм Rosetta, позволяющий вычислять трехмерную структуру белковых молекул на основании базовых физико-химических принципов взаимодействия составляющих их аминокислот. Именно эта аминокислотная последовательность, закодированная в ДНК, определяет даже самые сложные трехмерные структуры белков, их физические свойства и биологические функции.
Вычисление такой структуры даже на основании самых простых представлений о взаимодействии аминокислот между собой требует решения триллионов математических уравнений, а потому отнимает много времени даже при использовании суперкомпьютеров. Поэтому в 2004 году Бэйкер разработал приложение Rosetta@home, позволяющее использовать недозагруженные вычислительные мощности домашних компьютеров. Добровольцы, устанавливавшие себе на компьютер эту программу, могли вживую наблюдать за тем, как машина подстраивает структуру той или иной молекулы, минимизируя ее внутреннюю энергию.
В ходе этой работы у Бэйкера и родилась идея создания игры, так как многие пользователи Rosetta@home сообщали о своем желании "вручную" подстраивать структуры белков. Участники проекта отмечали очевидные ошибки алгоритма, когда тому приходилось достраивать трехмерную структуру уже частично упакованных молекул. В ходе этой процедуры программа безуспешно пыталась приладить торчащие концы молекулы к уже имеющейся глобуле или иной конфигурации, тогда как любому человеку, обладающему пространственным воображением, было очевидно, что данному фрагменту место внутри структуры.
Игра, получившая название FoldIt, стала доступна всем желающим весной 2008 года. Всего в ней было представлено 10 молекул с неизвестной на тот момент структурой. Чем лучше игрокам удавалось их упаковать, тем больше очков они получали. Согласно правилам, участники могли соревноваться между собой индивидуально или образовывать команды. Правильность упаковки оценивалась по принципу минимума внутренней энергии, иными словами наибольшее количество очков получал тот игрок, который упаковывал молекулу таким образом, что ее внутренняя энергия достигала минимально возможного значения. Участники игры обладали набором базовых правил, по которым можно было растягивать, гнуть, скручивать фрагменты молекул, или выполнять какие-либо другие манипуляции.
"Люди проявляют много творческой энергии, играя в компьютерные игры, которую можно было бы применить для решения научных проблем. Я очень рад, что мы сумели направить часть этой энергии в нужное нам русло", - прокомментировал работу Бэйкер, слова которого приводит пресс-служба Медицинского центра имени Говарда Хьюгса.
В ходе специального эксперимента участники игры, соревнуясь с программой Rosetta, сумели обыграть ее в пяти случаях из 10 и в трех других сумели не уступить. При этом мало кто из них был ученым, большинство базировались в своей игре на школьных представлениях о биологии. При этом Бэйкер, пообщавшись с 10 лучшими игроками-одиночками, был поражен сложности и новизне подходов к решению задачи, которые разработали участники игры.
Следующим шагом Бэйкер и его коллеги планируют направить творческую энергию игроков в FoldIt на решение важных научных задач - разработку новых, еще не существующих белковых молекул, которые могут оказаться полезными для получения биотоплива, лекарств и так далее. "Разработка новых белков нужной формы - это то, в чем игроки в FoldIt должны быть особенно сильны. Я думаю, что не за горами тот день, когда в лабораторных условиях мы будем тестировать белок, состав и структура которого были получены при игре в FoldIt", - подытожил ученый.